автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение потребительских свойств тракторов средствами автоматического контроля и управления

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТРАКТОРНЫЙ

ИНСТИТУТ НАТИ

РГВ од

" Я СЕН Щ-7 УДК 629.114.2.001-52

На правах рукописи

ШИПИЛЕВСКИЙ ГЕННАДИЙ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ТРАКТОРОВ СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ)

05.05,03 - "Колесные и гусеничные машины "

05.13.07 - "Автоматизация произодственных процессов по отраслям -

сельскохозяйственное производство"

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук профессор Городецкий К.И. Доктор технических наук профессор Юрчевский А.А. Доктор технических наук профессор Катанаев Н.Т.

Ведущее предприятие АО "Волгоградский тракторный завод"

Защита состоится 28 октября 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационно! Совета ДЛ 32.01.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук Государственном научно-исследовательском тракторном институте НАТИ по адресу: 125040, Москва, ул. Верхняя, дом 34. *

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке НАТИ.

Диссертация в виде научного доклада разослана"/" ¿2.3%.. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, канд. техн. наук Л.В.Васильев

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем докладе содержатся:

- результаты теоретических исследований и разработок по созданию средств ав-оматизации различного назначения;

- методические рекомендации по дальнейшему развитию этого направления как дного из наиболее перспективных для совершенствования тракторной техники, в том исле и по новым возможным постановкам ;

- рекомендации по организационно-техническому обеспечению создания и освое-ия средств автоматизации с учетом современных экономических условий.

Доклад составлен на основе разработок, проводившихся при участии, а в последние эды (начиная с 1978 г.) - под руководством автора. При этом теоретические резуль-1ты изложены по конкретным направлениям. Вопросы постановки и обеспечения, меющие более общий характер, показаны в форме, учитывающей и опыт проведен-ых работ, и произошедшие в отечественной экономике изменения. Изложение теоретических результатов ограничено только теми, которые были по-/чены самим автором или с его непосредственным участием. Если в последующем лело место их развитие другими авторами, то сведения об этом также приводятся, ля краткости изложения опущены доказательства полученных впервые выводов, опилил методик экспериментальных исследований и натурных испытаний и алгоритмы программы расчетов.

Структура результатов работы и методических рекомендаций соответствует схеме, жазанной на рис. 1.

Подтверждая, что многие направления разработок сложились или до начала рабо-I автора в этой области, или не по его инициативе, и выражая уважение большому ¡слу работавших и работающих здесь специалистов, в первую очередь сотрудни-м ИДТИ и его подразделений, автор тем не менее не счел возможным в рамках иного доклада приводить исчерпывающего обзора развития по каждому направяе-ю. Изложение ограничено оценкой состояния на момент начала работы автора по ждой конкретной задаче.

Автор считает себя обязанным упомянуть, что получение такого богатого опыта (ло бы совершенно невозможным без тесного сотрудничества с большим числом оте-;твенных и зарубежных специалистов, в первую очередь с такими, как покинувшие с И.Й.Трепененков, Б.А.Любимов, С.А.Богданов, П.П.Горбунов, И.Я.Цвейбель, .К.Клейн, Ю.И.Ефремов, Б.И.Морозов, А.Б.Лурье, П.Я.Прицкер, И.И.Кандрусев ныне здравствующие Л.И.Гром-Мазничевский, Л.А.Вайнштейн, И.А.Скрыпник, И.Викторов, Б.М.Ломакин, В.Я.Воронин, В.К.Хорошенков, Л.А.Орлов, [ГГевейлер, В.Г.Чернышев, В.Ф.Капканец, В.Д.Выборных, Е.П.Куценко,

С.А.Иофинов, Р.Т.Абдрашитов, В.К.Грашис, И.И.Наконечный, А.С.Кашурк С.П.Гельфенбейн, Б.М.Иванов, М.М.Арановский, Г.Г.Сумдов, М.Г.Мелешк

A.И.Драновский, Г.Н.Файпбурд, В.С.Тимошенко, В.И.Курченков, В.М.Шабанс E.H.Червяков, И.С.Погорелова, Л.А.Фрумкин, Ю.М.Огулышк, Е.Н.Фапеа

B.Волчанов, Г.Тановский, В.Панкова, В.Барани, Й.Франц, А.Дьери, Дж.Браун многие другие. Автор выражает глубокую благодарность им, а также сотрудник; лаборатории автоматизации В.С.Хаби, Г.В.Новикову, А.Ф.Карбану И.А.Печенкиной, сотрудникам других подразделений НАТИ и большого числа друг организаций.

Автор хотел бы подчеркнуть, что проведенные работы рассматриваются им к органически связанные с общим направлением работ НАТИ по совершенствован? теоретических и конструктивных представлений по различным вопросам трактор строения, направленным в целом па повышение всех потребительских свойств трак! ров отечественного производства.

Рис. 1. Структура результатов работы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Оснащение тракторов средствами автоматического контроля управления стало практически общепринятым признаком современного технического ровня, которому ведущие зарубежные тракторостроительные фирмы уделяют серьез-ое внимание. При этом очевидно, что наличие на тракторах таких средств является ощным резервом повышения целого ряда важных потребительских свойств тракто-ов любого назначения, доводя эти свойства почти до максимально возможных значе-ий, определяемых конструктивными возможностями тракторов. При этом под потре-ительскими свойствами здесь понимаются признаки, по которым потребитель на рын-5 тракторной техники делает выбор той или иной модели и которые в конечном итоге приделаются тем, каких затрат ресурсов (первичные вложения, время-труд, энергоре-грсы, запчасти, другие расходуемые ресурсы) потребует выполнение необходимого зъема работ и какой уровень комфорта и безопасности, в т.ч. экологической, будет эеспечен при этом.

Автоматизация контроля и управления обеспечивает:

1. Повышение производительности за счет более полного использования мощности шгателя и времени смены, а также полноты сбора урожая.

2. Снижение расхода горюче-смазочных, посевных и посадочных материалов, >едств химизации и других расходуемых ресурсов.

3. Снижение затрат на обслуживание и ремонт.

4. Повышение удобства и безопасности труда.

5. Снижение вредных воздействий на почву, растения, атмосферу и грунтовые во-

6. Повышение возможностей учета и планирования работы.

Современные представления о целесообразности автоматизации исходят из иони-шия того, что деятельность человека-оператора, в данном случае водителя машин->-тракторного агрегата, связана с необходимостью принимать и обрабатывать опре-ленные потоки информации. В одних случаях эти потоки недостаточны для эффектного контроля и управления, а в других настолько интенсивны, что существенно >евышаюг возможности среднего человека-оператора по адекватному реагированию в де своевременных и точных действий, в связи с чем наблюдается определенный ин-¡рмациопный дискомфорт оператора и происходит существенное недоиспользова-е возможностей трактора. Прием и переработка информации с помощью аппарат-IX средств, которые могут быть с одной стороны гораздо более чувствительными к

изменениям условий работы и соответственно использовать больше информации, ч« человек-оператор, а с другой - обладать гораздо более высокой по сравнению с т пропускной способностью и вносить при этом меньше искажений, являются принц пиальной основой автоматизации.

Создание каждого средства автоматизации представляет собой сложную системну задачу, которая для успешного решения требует наличия теоретических и методик ских основ, позволяющих учесть многообразие предъявляемых со всех точек зрен требований. В свою очередь развитие тракторной техники определило достаточно с ширную номенклатуру потенциально эффективных средств автоматизации. В связк этим фактически появилось целое научно-техническое направление, имеющее свои целями создание и освоение таких средств.

Работы в этом направлении ведутся в НАТИ более 30 лет в сотрудничестве с трг торными заводами и их конструкторскими организациями, научно-исследовательски: и учебными институтами. В последнее время с переходом к широкому использоваш электронной аппаратуры в этой работе участвуют также и специализированные ор] низации соответствующего профиля.

Задания на проведение работ в этом направлении в разные годы включались в < раслевые планы НИОКР но тракторо- и моторостроению, государственные науш технические программы, программы научно-технического сотрудничества стрг членов СЭВ, тематические планы НАТИ, а также определялись договорами с пр< приятиями отрасли. Однако реализация результатов проведенных работ в связи с ] доступностью производственно-технологического потенциала, необходимого для щ мышленного освоения создаваемых средств и практически полностью загружекне оборонными задачами, существенно отстала от мирового уровня. Некоторое п] движение в этой области было связано с деятельностью существовавшего в 1986-Н годах советско-болгарского предприятия "Агроавтоматика", одним из учредителей ) торого являлся НАТИ, но и оно вынуждено было прекратить свое существование.

В настоящее время в связи с предполагаемым переходом к выпуску в Российет Федерации новых моделей тракторов и массовым высвобождением в результате К( версии необходимого производственно-технологического потенциала можно ожид; возобновления спроса на разработки и освоение разнообразных средств автомати ции, рассчитанных на применение в различных экономических укладах производст использующего тракторную технику и заинтересованного в ее эффективности. Г этом понадобятся теоретические и методические рекомендации, которые позволят ( стро и с минимальными затратами разработать и освоить эти средства. В связ этим тема, связанная с повышением потребительских свойств тракторов за счет

зматизации контроля и управления и содержащая теоретические и методические пред-зсылки ведения НИ01СР в этом направлении, является достаточно актуальной. Целями работы являлись;

- создание теоретических и методических основ повышения потребительских юйств тракторов путем разработки и освоения средств автоматизации тракторов и ашинно-тракторных агрегатов различного назначения в форме обобщенных методов ¡ализа и синтеза, определение технических требований к этим средствам, проведение юретических и экспериментальных исследований по изысканию наиболее рацио-шьных технических решений, организация опытно-конструкторских работ н меро-шятий по освоению;

- разработка и уточнение общей концепции создания и освоения средств автома-вации и ее частного вида на ближайшую перспективу с учетом концептуально зна-шых факторов;

- обобщение общих методических рекомендаций по рациональному ведению работ. Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан систематизирований комплекс методов анализа и синтеза различных систем - средств автоматического 1Нтроля и управления для тракторов, опирающийся на единый подход к повыше-¡ю потребительских свойств тракторов за счет рационализации контроля и управле-[Я и направленный на получение максимальной эффективности применения этих едств на тракторах, и практических решений по созданию и освоению этих средств, э существу получены новые научно обоснованные технические решения, использова-[е которых в теории и практике конструирования тракторов позволяет существенно ®ысить технический уровень отечественного тракторостроения.

При этом, в частности, в отдельных областях этого комплекса получены следующие зультаты:

1. В области систем автоматического вождения разработана математическая модель югрессирующего искривления, возможного при работе систем, использующих ко-рование предыдущего прохода, и определены требования к динамическим характе-стикам таких систем для недопущения этого искривления.

Применительно к гусеничным тракторам как объектам управления исследованы просы неустановившегося поворота, что позволило разработать экспериментально дтвержденную математическую модель для использования в задачах анализа и син-¡а систем автоматического вождения, учитывающую особенности механизма поворо-трактора и физический смысл прцесса.

Разработана математическая модель системы с гусеничным трактором в качестве ъекта управления и методы ее использования для задач анализа и синтеза. Предло-

жены и реализованы варианты оригинальных конструктивных решений систем и составных частей.

Определены возможности систем автоматического вождения по получению реальн производственных эффектов.

2. В области систем управления режимами двигателя впервые в мировой лрают показана возможность использования на тракторе системы автоматического упр; ленюг с применением средств микроэлектроники.

Установлена необходимость и разработаны приемы самонастройки параметров I стемы на текущее состояние характеристики двигателя. Разработаны приемы измерег загрузки двигателя, не требующие изменения конструкции корпусных деталей и : рошо согласующиеся с цифровыми способами обработки результатов.

Для целей анализа и синтеза предложено рассматривать такие системы как двухк< турные с моторно-трансмиссионной установкой в качестве единого объекта управ ния. Предложено понятие "крутильная характеристика моторно-грансмиссиош; установки" и разработаны методы ее использования для определения параметров стемы управления, в частности, специальная номограмма. Проведены расчеты ; прогноза влияния параметров системы управления па ресурс двигателя и трансмисси]

Разработаны рекомендации для иыбора наиболее рациональных констр тивных решений по исполнительным органам системы.

Разработана уточненная математическая модель процесса трогания и разгона тр тора при включении муфты сцепления. С помощью электронного моделирования следованы возможности и разработаны рекомендации по автоматическому управ нию включением муфты.

3. В области систем контроля и аварийной защиты введено понятие об интегра ных параметрах, позволяющее принимать решения по рациональному выбору ном клатуры параметров контроля для каждой конкретной модели трактора. Разработа технические требования к конструкциям и характеристикам датчиков.

Найдена и реализована наиболее целесообразная форма предъявления визуалы символьной информации с использованием впервые в мировой практике мнемосхе трактора и двухеимвольцых сообщений. Впервые в отечественной практике апро рована технология пленочных панелей со встроенной псевдосенсорной клавиатурой

Впервые в отечественной практике была поставлена и решена задача создани: освоения в виде самостоятельного изделия системы аварийной защиты двигателя. Г этом найдены пригодные для использования в составе более сложных систем к структивно-параметрические решения по принципам действия аварийной защиты и универсальному приему принудительной аварийной остановки двигателя. Разработ; методология оценки экономической эффективности аварийной защиты двигателя. Г

работаны мероприятия по обеспечению качества производства электронных блоков зистемы.

4. В области информационно-советующих систем определено их место в проблеме автоматизации. Показана связь эффективности использования таких систем с наличи-;м у пользователя стимулов для производительной и эффективной работы и введено тонятие "заинтересованный пользователь".

На примере такой системы, создававшейся для трактора Т-150К, отработана методика выбора аппаратных и программных решений. В частности, разработан алгоритм, позволяющий с высоким быстродействием определять начало пробуксовки фрикционных элементов трансмиссии.

5. В области измерения действительной скорости разработаны и обоснованы тре-5ования к применяемым аппаратным средствам но диапазону измеряемых скоростей, точности измерения и времени усреднения для сельскохозяйственных и промышлен-1ых тракторов.

Разработаны и реализованы приемы использовния информации, получаемой на базе имерения действительной скорости, для более эффективного управления трактором, 'азработан алгоритм оптимального управления бульдозером на базе тяжелого гусе-шчного трактора.

Организованы разработка и выпуск промышленной партии универсальной информационной системы с измерением действительной скорости.

6. В области комплексной автоматизации тракторов разработана концепция созда-:ия бортового компьютера как комплекса аппаратных и программных средств со штатными и заказными наборами функций и открытой магистрально-модульной труктурой на базе типовых микропроцессорных модулей. Установлена несовмести-юсть регулирования загрузки двигателя и силового регулирования положения навес-юго устройства и предложено заменить последнее регулированием по глубине высоте) хода рабочих органов, в связи с чем предложен частотный способ измерения 1алых высот, реализуемый достаточно простыми аппаратными решениями.

На базе исследований условий эксплуатации тракторов разработаны требования к яементной базе бортового компьютера, вошедшие как отраслевые в единые требова-:ия машиностроения по элементной базе для автоматизации мобильных машин. 1редложено понятие "холодных функций", реализуемых отдельными простыми аппа->атными средствами, что позволяет избежать применения дорогостоящих компонен-ов.

Исследованы возможности развития набора функций, реализуемого при комплекс-ой автоматизации. Предложены как примеры такого развития контур управления тя-овыми режимами для существенного снижения буксования, электронное управление

олектропнепмоприводом тормозов прицепа, динамическая сигнализация об опасное! опрокидывания и универсальный технологический контроль сельскохозяйственнь агрегатов (при этом на основе анализа совокупности контролируемых параметров р боты прицепных и навесных орудий предложен единый набор сообщений о нарушен® технологического процесса). Разработана дизайн-концепция представления визуальнс информации с помощью экранов (дисплеев) по последовательности предъявления и г видам изображений.

7. В области методических рекомендаций по развитию автоматизации как одного ] наиболее эффективных средств совершенствования тракторной техники разработа! концепция создания и освоения средств автоматизации применительно к совреме: ным условиям. Показаны возможности улучшения экологических свойств тракторе за счет оснащения их определенным набором средств автоматизации. Разработан общие методические рекомендации по постановке и решению задач создания и осво ния средств автоматизации с минимальными затратами времени и труда. Разработан методические рекомендации по обеспечению разработки и освоения средств автомат зации, включающие эргономическое, аппаратурное, производственное, экспериме тальное и сервисно-сбытовое обеспечения.

Практическое значение и реализация результатов работы подтверждаются разрабо ками НАТИ и его подразделений, относящимися ко всем упомянутым направления автоматизации. В их числе создание экспериментальных и опытных образцов систе различного назначения для тракторов Харьковского, Волгоградского, Алтайског Павлодарского и Минского тракторных, Ленинградского Кировского и других зав дов. При этом:

- поставлены на производство и изготовлены в количестве около 200 тыс. компде тов системы аварийной защиты двигателя;

- выпущена спыгная партия в количестве 100 комплектов универсальной информ ционной системы с радарным датчиком действительной скорости, по которому по, готовлено отечественное производство;

- прошли государственные испытания системы автоматического вождения трактор< К-700 (с выпуском опытной партии), ДТ-75М и Т-4А;

- по согласованному со всеми тракторными заводами техническому заданию ра работаны, изготовлены и прошли заводские испытания опытные образцы систем ко троля технического состояния (электронные щитки приборов);

- на Харьковском тракторном заводе прошли заводские испытания система авт матического управления режимами двигателя и информационная система для тракто; ТЧ50К;

- разработаны и изготовлены экспериментальные образцы бортового компьютера и комплексной автоматизации тракторов;

- разработаны технические требования отрасли тракторостроения на датчики и икропроцессорные контроллеры;

- разработаны и согласованы в рамках сотрудничества стран-членов СЭВ техниче-;ие требования и техническое задание на универсальную систему технологического >нтроля.

Эти результаты составляют целостный задел, позволяющий организовать разработ-' и освоение широкой номенклатуры средств автоматизации для перспективных молей тракторов, подготавливаемых к производству на заводах Российской Федера-1и, а также продолжить развитие этого направления. Он использовался также при дсиии в интересах Министерства обороны РФ ОКР "Упряжка-2", по которой успеш-> проведены испытания головного образца.

Результаты работы использовались в педагогической деятельности автора в Мо-:овском автомеханическом институте (ныне - Московская академия автомобильного тракторного машиностроения), во Всероссийском институте повышения квалифика-ш руководящих кадров и специалистов АПК (ныне Российская инженерная академия гиеджмента и агробизнеса) и в учебном центре Московского филиала игроавтоматики". В 1996 году с их учетом автором была разработана новая редакция гограммы курса "Теория автоматических систем автомобилей и тракторов" для под-товки инженеров по специальности "Автомобиле- и тракторостроение". Апробация работы. Основные результаты работы известны широкому кругу сде-1алистов отрасли, а также докладывались и обсуждались на Всесоюзных научно-хнических совещаниях по автоматизации сельскохозяйственного производства в '68-1989 гг., на Национальной научно-технической конференции с международным [астием по электронизации сельскохозяйственных машин и процессов в Болгарии 1988 г., на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение научно-хнического уровня и надежности трансмиссий тракторов" в 1978 г., на международ->й научно-технической конференции по автоматизации производственных процессов сельском хозяйстве в 1995 г., на заседания Проблемного совета .рактородвигателестроение" НТС Роскоммаша в 1996 г., на научно-технических шференциях МАДИ 1990-1996 гг. и др.

Публикации. По содержанию диссертации опубликовано 60 печатных работ, лючая 21 авторское свидетельство и 2 свидетельства на промышленные образцы.

ао

ОБЩАЯ ОЦЕНКА. СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Создание и исследование средств автоматизации для тракторов как самостояты ное научно-техническое направление в рамках общей проблематики совершенство! ния тракторной техники имеет достаточно протяженную историю. Состояние это направления в отечественной и мировой практике может быть охарактеризовано т{ мя последовательными стадиями.

На первой стадии одновременно с первичными и достаточно примитивными прс ложениями по отдельным вопросам, преимущественно по автоматизации вождеш считалось, что целью автоматизации является создание тракторов-робоюв, способн. выполнять необходимую работу, в частности, сельскохозяйственные операции, £ человека на борту. Понятно, что при этом ожидалось радикальное повышение про] водительности труда, благодаря чему начался бурный рост разработок и иссяедоваш С конца 50-х годов в СССР широко создавались и испытывались многочисленные с разцы всевозможных систем для автоматического вождения на гоне, программного г тематического вождения на гоне и разворотах, дублерного вождения, при котор* один тракторист ведет группу из 2 или 3 тракторов, и дистанционного управления радиоканалу. С участия в этих работах началась деятельность НАТИ по этому напр; лелию.

Эта стация длилась до конца 60-х годов и закончилась пониманием преждевреме ности принимавшихся подходов как с технической, так и с организациои экономической точек зрения. Единственным позитивным результатом в СССР ста лишь достаточно продвинутые разработки по системам автоматического вождения гоне при отвальной пахоте или при междурядной обработке пропашных культ} основанные на относительно простых конструктивных решениях в виде механичсда электромеханических и электрогидравлических устройств, вполне доступных для пр мышленного производства при существовавшем уровне техники. Однако освоен этих разработок в производстве не произошло, несмотря на то, что к 1970-71 г.г. щ. шли успешные государственные испытания таких систем на тракторах К-700, ДТ-751у1 Т-4А. Это можно объяснить тем, что достигнутые эффекты носили частный характер не оказывали ожидавшегося влияния на экономические показатели сельскохозяйстве ного производства.

Зарубежная практика оказалась также практически безрезультатной по освоеш средств автоматизации, если не считать дальнейшего развития гидромеханических с стем регулирования положения навесных устройств, которые применительно к р; дельно-агрегатным гидросистемам были освоены и у нас. Тем не менее на этой стад:

¡ыли накоплены определенные теоретические знания и методические подходы, оказавшиеся полезными впоследствии.

Следующая стадия характерна переходом к качественно новому набору технических редств, использовавшихся для создания систем автоматического управления и кон-роля - разработчики стали применять электронную аппаратуру в качестве основного редства обработки информации, и расширением номенклатуры создаваемых систем, десь начали проявляться существенные различия в организации и результативности абот между отечественным и зарубежным тракторостроением.

Ведущие зарубежные тракторные и агрегатные фирмы стали организовывать в сво-м составе подразделения по разработке электронных средств автоматизации, опираясь а производственно-технологический потенциал оборонно-космических отраслей и щроко привлекая оттуда специалистов. Благодаря этому уже к середине 70-х годов на яровом рынке начали появляться тракторы, оснащенные такими средствами в виде тсктронных щитков приборов и систем регулирования положения навесных уст-ойств, сначала по Заказу, а затем и штатпо. Однако фирмы еще не позволяли себе веси глубокий научный поиск, ограничиваясь упомянутыми направлениями с относи-зльно невысокой наукоемкостью.

В отечественном тракторостроении работы этого направления в основном были зередоточены в НАТИ и его специализированных подразделениях, а также в ряде ругих НИИ (УкрНИИСХОМ, УНИИМЭСХ, ЦНИИМЭСХ и др.) и ВУЗ'ов с привле-знием в ряде случаев конструкторских организаций специализированных отраслей, в астности, Минэлектронпрома. При этом перспективы освоения создававшихся эедств автоматизации определялись субъективными обстоятельствами и в основном г были обнадеживающими из-за отсутствия в этих отраслях производственно-шгологического потенциала, не занятого решением оборонно-космических задач, го проявлялось уже на этапах опытного производства. В связи с этим больший удель-ый вес получила исследовательская работа по уточнению набора реализуемых функ-ий и алгоритмов, совершенствованию эргономических свойств создаваемых систем определению влияния этих систем на потребительские свойства тракторов. В резуль-»те на отдельных направлениях автоматизации МТА были выполнены достаточно родвинутые разработки как конструктивных решений, так и теоретических представший. Здесь наряду с работами НАТИ можно отметить работы, выполненные под ру-эводством С.А.Иофинова (системы контроля и управления для тракторов "Кировец"), .П.Ксеневича (системы автоматического вождения, управления режимами двигателя и ггулирования положения навесного устройства для тракторов М'ГЗ), В.П.Тарасика истемы управления трансмиссиями специальных машин), Р.Т.Абдрашитова (системы згулирования положения навесного устройства колесных пахотных тракторов),

Л.И.Гром-Мазничевского (системы управления гидрообъемными трансмиссиямг А.С.Кашурко (системы контроля и управления для машин по возделыванию и убор) свеклы, кукурузы и других культур) и других. Появились публикации монографическ го характера, содержавшие обобщения по отдельным направлениям проблем (И.П.Ксеневич и В.П.Тарасик, С.П.Гельфенбейн и В.Волчанов и др.)

Наметившаяся опасность отставания от мирового уровня по освоению средств а томатизации заставила искать пути создания необходимого потенциала. Принятые то время директивные решения обязывали все машиностроительные отрасли, в тс числе тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, создавать такой потенц: ал собственными силами и возможностями, не рассчитывая на поддержку отрасти ВПК. Поэтому в составе НАТИ было создано и стало развиваться отделение, в соста: которого находились но только исследовательские, но и конструкторские подраздел пая, а также специализированное опытное производство, что позволило существен! расширить круг решаемых задач, ускорить проведение исследований и разработок повысить научно-технический уровень работ. Но так как необходимо было создава: базу широкомасштабного производства создаваемых средств, было принято решет о сотрудничестве со специализированным заводом в Болгарии, что стало возможны благодаря достаточной продвинутое™ предъявленного задела и ясно выраженной з интересованности ведущих тракторных заводов в скорейшем освоении средств авт> матизации. Созданное в результате этого совместное предприятие "Агроавтоматюс внесло существенный вклад в развитие опытно-конструкторских работ, а главное - п казало на примере системы аварийной защиты двигателей способность к быстрому качественному освоению создаваемых средств.

На этой стадии стало также очевидным, что основной потребитель средств авт< матизации - отечественное сельскохозяйственное производство - еще не в полной м ре готово к массовому появлению на тракторах намеченной к производству номенкл туры средств автоматизации. Не была организована соответствующая подготов! кадров, не существовало необходимой системы сервиса. Поэтому было организоваг принятие совместных решений с Министерством сельского хозяйства и Госкомсел хозтехникой и начата работа по подготовке кадров всех уровней и по созданию нео! ходимой сервисной сети.

К сожалению, эта стадия в отечественном тракторостроении прекратилась прежд временно, не дойдя до массового освоения и перехода к непрерывному соверше) ствованию. В связи с известными обстоятельствами, в том числе с ликвидацией СЭВ, затем и СССР, разрывом хозяйственных связей и резким снижением производства тра] торов, производство средств автоматизации и опытно-конструкторские работы этог направления прекратились практически полностью. Тем не менее результирующи

йогом этой преждевременно закончившейся стадии можно считать то, что, продолжая ¡тставать по темпам и масштабам освоения средств автоматизации, нам удалось рас-нирить научно-технический задел и заложить основы широкого внедрения набора редств, которые не только не должны были уступать по техническому уровню зару-¡ежным аналогам, но и превосходить их по ряду показателей, в том числе по эффектности применения.

Хотя в отечественном тракторостроении вместе с объемами производства резко пизились и объемы работ по совершенствованию выпускаемых и созданию новых мо-елей тракторов, среди руководителей и специалистов конструкторских организаций трасли находят должное понимание вопросы важности этого направления как одного з важнейших признаков современного технического уровня тракторов. В намечен-ых программах, работ по созданию новой тракторной техники и в проектах техниче-ких заданий на разработки предусмотрено ведение работ по созданию и организации роизводства средств автоматизации. Для этого имеются также и благоприятные воз-:ожности благодаря широкому высвобождению производственно-технологического отенциала предприятий ВПК в результате конверсии, что может существенно пони-ять объем требуемых инвестиций.

В зарубежной тракторной технике в настоящее время наблюдается стадия расши-тощегосн применения электронных средств автоматизации. Все большее количество одолей оснащается такими средствами, причем растет доля штатного применения в сновной комплектации тракторов и понижается нижний уровень мощности их двига-;лей, с которого начинается такое оснащение, что свидетельствует как о растущем энимании производителями и потребителями эффективности применения средств ав-зматизации, так и о снижающейся стоимости производства таких средств.

Хотя за последние годы сама номенклатура применяемых на зарубежных тракторах эедсгв автоматизации почти не пополнилась качественно новыми системами, растут Зъемы применения сложных систем управления, в частности, моторно-эансмиссионньгми установками. Там, где таких сложных систем еще нет, наблюдает-[ подготовка возможности их применения путем, например, расширяющегося ис-эльзования электрогидравлических механизмов управления переключением передач и ипазонов, включением привода переднего ведущего моста и ВОМ и т.д. В аргумента-да за применение средств автоматизации включаются не только соображения произ-щигеяыгости и экономичности, но и учет перспективных экологических требований, го подверждает, что автоматизация контроля и управления на тракторах не является лстропроходящей модой, а становится таким же постоянным признаком, какими в 13ное время стали дизельные двигатели, гидравлическое оборудование, электрообо-'дование постоянного тока и комфортабельные кабины.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТОК.

1.1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВОЖДЕНИЯ.

Разработки систем автоматического вождения сельскохозяйственных тракторов н чались у нас в конце 50-х годов по предложениям И.Г.Логинова и других изобрстат лей. К этому же времени относится появление многочисленных предложений и за р бежом. В основном большинство из них основывалось на копировании еле, предыдущего прохода, например, борозды отвальной вспашки, или рядка растени При этом обилие разнообразных конструктивных решений до определенного врема не сопровождалось теоретическими исследованиями, хотя потребность в них выяв лась достаточно быстро.

В первую очередь возникла проблема борьбы с прогрессирующим искривлена при копировании борозды. Она привлекла внимание ряда исследователей, но бли; всех к ее решению подошел .Я.Л.Бронштейн, по существу предложивший использое ние аппарата теории автоматического управления с описанием гусеничного тракто как объекта соответствующей системы. Однако ему не удалось довести этот, в обгц| правильный подход, до конкретных требований к динамическим характеристикам, а них к конструктивным параметрам системы. Предложенное же им описание тракто как объекта системы также не могло в полной мере удовлетворить практику.

В ходе выполненных в 1966-1970 гг. работ удалось получить результаты, существе но продвинувшие дальнейшие разработки в этом направлении.

При описании гусеничного трактора как объекта управления впервые было р< смотрено действие механизма поворота наиболее распространенных типов - фрикцис ного и планетарного с ленточным тормозом. Было показано,что оно может быть ог сано в виде нелинейной статической характеристики релейного типа с наклонной вс ходящей ветвью. При этом крутизна восходящей ветви значительно больше у тш тарного механизма, особенно с самотормозящимися лентами. Кроме того, была г казана связь между параметрами характеристики и тяговой нагрузкой (рис.2). Д подтверждения этих соображений были проведаны специальные эксперименты на трг торе ДТ-75 с регистрацией крутящих моментов на осях ведущих звездочек (по р; ности которых определялся поворачивающий момент) и перемещений рычагов по! рота, показавшие удовлетворительное совпадение реальных процессов с предложенш описанием.

Для описания самого трактора были предложены подходы общего характера, при-дные для всех объектов такого вида и основанные па представлении о каждом как многомерной системе с несколькими входами и выходами и матричной взаимо-язью между ними, из которой для конкретной задачи могут быть выбраны некоторые :оды и выходы. В данном случае было предложено считать управляющим воздей-вием поворачивающий момент, а выходными параметрами - курсовой угол и попе-:чное смещение при допущении о постоянстве скорости поступательного движения, етодический подход к получению зависимостей между ними опирался на идею гипо-тических описаний, предполагающую рассмотрение физического смысла неустано-[вшегося поворота с принятием различных допущений и выбор окончательного (исания в форме дифференциальных уравнений или передаточных функций по резуль-там эксперимента. Во внимание были приняты вид эпюры вертикальных нагрузок сениц и наличие тягового сопротивления как вектора.

В качестве допущений было принято, что каждый элемент опорной поверхности гу-ниц при неустановившемся повороте испытывает поперечное сопротивление, про-»рциональное произведению скорости его поперечного перемещения и вертикальной грузки на него (гипотеза вязкого трения). Кроме того, было принято, что вектор го-вонталыюй проекции тягового сопротивления в ходе поворота отстает от продоль-|й оси трактора на угол, пропорциональный угловой скорости поворота (рис.3). :о привело к выводу, что зависимость между поворачивающим моментом и курсовым лом может быть описана передаточной функцией вида К

^У(р) =.........., (1)

р(Тр+1) где р - оператор Лапласа,

К - коэффицент передачи, Т - постоянная времени; I - полярный момент инерции трактора. При этом введены обозначения

1

К=~; (2)

Аир

I

Т - — ; Апр

Ъ-с

Апр = А [ х х х <1х + Ркр х к' х 1'; -с

Поворачивающий момент Мп

2

3

Ход рычага а

Рис.2. Характеристики механизмов поворота гусеничных тракторов (1 планетарный с ленточным самозатягивагощимся тормозом, 2 - то же с несамозатя

вающимся тормозом, 3 - фрикционный, — - при полной тяговой нагрузке,----I

частичной тяговой нагрузке).

в которых, в свою очередь, обозначения соответствуют: А - коэффициент вязкого трения, Ь - длина опорной поверхности гусеницы, с - координата мгновенного полюса вращения, q(x) - эпюра вертикальных нагрузок, Ркр - тяговое сопротивление плуга, к' - коэффициент пропорциональности, Г - координата точки прицепа.

Проведенные с трактором ДТ-75 эксперименты, в ходе которых пришлось удел особое внимание аппаратурному обеспечению траектографических измерений, п твердили достаточную близость такого описания к реальному процессу поворота. ( повременно был подтвержден и полученный при принятых допущениях вывод о т что в процессе поворота мгновенный центр скоростей трактора как плоской системы перемещается вдоль его продольной оси (координата С остается постоянной).

Исследования трактора как объекта управления сопровождались разработкой ме дики, позволявшей по результатам эксперимента определить наиболее подходящее

очности окончательное описание в классе линейных моделей. В отличие от многих [редлагавшихсл в то время, она не накладывала никаких ограничений на постановку ксперимента. Единственным требованием в ней являлось обеспечение нулевых началь-;ых условий, разрешавших осуществлять расчет коэффициента передачи и постоялых времени на базе дискретного представления интеграла Дюамеля-Карсона.

:> актора.

В дальнейшем такая же методология была использована Ю.К.Клейном примени-:яьно к колесным шарнирно-сочлененным тракторам. Он же уточнил, что в пахотах агрегатах коэффициент пропорциональности к1 между угловой скоростью поворо-I и углом отставания горизонтальной проекции вектора тягового сопротивления ¿еет различную величину для поворотов вправо и влево.

Для описания прогрессирующего искривления был использован аппарат теории учайных процессов. Обработка большого объема экспериментальных данных, полу-:нных в результате измерений поперечных координат борозд при опытах с ручным и томатичсским вождением на тракторах ДТ-75 и Т-74, показала характерное и зако->мерное изменение кривых спектральной плотности от прохода к проходу. Это по-олило описать прогрессирующее искривление как рост ординат спектральной ютности без расширения полосы частот. Отсюда было получено условие отсут-вия прогрессирующего искривления в виде необходимого требования к частотной редаточной функции преобразования копируемой борозды в получаемую

I ХУ^да) |< I при ж < тяах, (6)

где \vmax - ширина полосы частот.

I . Несколько позже А.И.Драновский и Г.Н.Файнбурд установили, что оно являет также и достаточным.

С точки зрения стабильности ширины захвата получено также условие •»тах

/(1-1\У^)|)с1ш = ппп. (7)

О '

Для аналитического исследования выполнения полученных требований за с1 оптимизации структуры и параметров системы, в которой присутствуют суй ственно нелинейные звенья, была применена гармоническая линеаризация. Одна сложность полученного выражения для частотной передаточной функции системы соответственно, ее модуля - амплитудно-частотной характеристика - дозволили толь определить примерные направления оптимизации. В связи с этим было использовг моделирование на электронной аналоговой модели.

Целесообразность такого способа исследования для средств автоматизации се скохозяйственной техники показали С.П.Гельфенбейн и В.П.Елизаров. В пап случае, помимо составления машинной модели в соответствии с математической I делью системы, учитывая специфичность предъявленных требований вида (6) и I пришлось разработать специальный метод, названный методом условных амплитуд частотных характеристик. Входное воздействие на машинную модель подавалось в ^е синусоид с переменными частотами и амплитудами, а на выходе регистрировал) максимальные по модулю значения негармонических периодических кривых, отнес ные к амплитудам действовавших входных воздействий. Эти отношения выстраивал; в функции частот входных воздействий. Рассматривая полученные характеристи удалось установить конкретное влияние на выполнение требований (6) и (7) таких раметров, как продольный вынос точки копирования, крутизна наклонной части рактернстики механизма поворота трактора, быстродействие и ход зяекгрогидрав ческого исполнительного механизма и податливость навесного устройства трактор: выработать соответствующие рекомендации. В частности, был предложен и обос ван алгоритм управления для релейно-контактных систем, включавший учет произв ной рассогласования и легко реализуемый в конструкции контактных датчиков.

Эти результаты были использованы в дальнейшем при подготовке и послед; хцем проведе-нии государственных испытаний систем автоматического вождения тракторах К-700, ДТ-75М и Т-4А. Испытания прошли па Северо-Кавказской и , тайской МИС без замечаний, однако эти работы были необоснованно прекращены Применительно к шарнирно-сочлененным колесным тракторам предложен! подходы были развиты Ю.К.Клейном и Г.Н.Файнбурдом.

С появлением гусеничных тракторов, в которых механизм поворота действует э разностно-скоростному принципу (дня поворота устанавливаются различные пере-1точпыс отношения от двигателя к ведущим колесам), было проведено теоретическое хледование особенностей формирования поворачивающего момента при включении ;ханизма. Было установлено, что при описании неустановившегося поворота уравне-тем вида (1) и при допущении об одинаковом буксовании гусениц выражение для покачивающего момента Мпов имеет вид: ¡1-12

Мпов ~ А2 х. - х (Тр+1), (8)

И хП

где А2 - коэффициент пропорциональности, учитывающий радиус ведущего коса, частоту вращения вала двигателя, приведенный коэффициент вязкого трения по авиениго (1), буксование и колею трактора;

¡1, ¡2 - передаточные отношения соответственно к ведущим колесам отстающей ¡абегающей гусениц;

Т - постоянная времени по обозначению (3); р - оператор Лапласа.

Для трактора, в котором различие передаточных отношений обеспечивается с мощью двойного дифференциала в виде разнонаправленного изменения частот вра-:ния ведущих колес Аса, выражение (8) приводится к виду

Мпов = А1 х (Тр +1) х Аш, (9)

в котором коэффициент пропорциональности А1 инвариантен относительно часто-цращения вала двигателя.

Такой подход обеспечивает также возможность оценки величины касательной силы "И на забегающей гусенице для более точных прочностных расчетов, разумеется, при тичии экспериментальных данных по значениям коэффициентов уравнения (1). 06-зужено, что эта сила изменяется аналогично поворачивающему моменту с форсиро-шем по первой производной управляющего воздействия, выраженного как в виде шых передаточных чисел по уравнению (8), так и в виде А<в по уравнению (9).

Кроме теоретических работ описанного выше содержания, в это же время велся лек вариантов рациональных конструктивных решений по таким важным компонен-{ систем, как копирующие и электрошдразлические механизмы. Ряд таких решений еет уровень изобретений, защищенных 8 авторскими свидетельствами.

К важному результату работ в этом направлении следует также отнести окон1 тельное и полное представление о месте автоматического вождения в общей проб: ме автоматизации тракторов. Прежде всего здесь следует видеть мощное средст улучшения условий труда. В ряде случаев автоматизация вождения позволяет обеа чить более высокое и стабильное качество выполнения работ и более высокую про водительность (особенно в широкозахватных агрегатах). И, наконец, она является т нической базой перспективы роботизации полевых работ.

Исходя из этого, а также понимая ограниченные возможности копировальных стем, которые при относительной простоте конструктивной реализации были иривя ны к конкретным операциям, были исследованы возможности создания универса ных систем на базе измерения текущих значений прямоугольных координат положен агрегата на поле. Была установлена принципиальная возможность решения такой дачи на базе радиодальномерных устройств и начата разработка эксперименгальн образцов, показавшая достижимость получения необходимых характеристик по л ности измерений. Было предложено ориентировать применение таких систем в перв очередь для широкозахватных агрегатов на базе мощных тракторов. Однако с пере, чей этого направления работ в 1988 году во вновь образованное Н1 "Сольхозмашавтоматика" исследования и разработки по нему были прекращены, х< уже в то время появились зарубежные публикации, подтверждающие заинтересов ность в таких решениях дня создания так называемых географических информации и управляющих систем.

Для итоговой оценки состояния и перспектив этого направления автоматиза1 следует отметить, что ни у нас, ни за рубежом системы автоматического вожде! практически не вышли из стадии разработок и на рынке не появились. Это в перт очередь объясняется тем, что до настоящего времени не найдено решений, обеспе вающих универсальность применения на широком круге операций достаточно п отыми средствами типа механического копирования, пригодного для отвалы вспашки или работы по грядо-гребневой технологии. С другой стороны подтвержу ные эффекты автоматического вождения по улучшению условий труда и качества ] полнения операций не нашли пока экономического эквивалента и не востребовг потребителем.

В связи с этим можно утверждать, что автоматическое вождение в настоя1 время не следует относить к первоочередным направлениям, однако оно не является пиковым. Накопленные заделы найдут применение в перспективе в двух возмож£ областях: грядо-гребневые технологии использования универсально-пропацн тракторов с механическим копированием и широкозахватные агрегаты на базе трак ров высоких тяговых классов с использованием радионавигационных средств ('

имыкает к упомянутым и широко обсуждаемым в настоящее время в развитых страх идеям применения географических информационных и управляющих систем, ко-рые должны дать возможность дифференцировать состояние почвы и насаждений разных участках одного и того же поля для соответствующих вариаций режимов об-оотки). Несомненно также, что проблема автоматизации вождения окажется ключей при появлении технических, организационных и экономических предпосылок для зврата к решению задачи создания тракторов-роботов.

1.2.Системы управления режимами двигателя.

Управление режимами двигателя имеет самую большую историю развития среди гх средств тракторной автоматики. Оно по существу началось с применения всере-много регулятора, поддерживающего задаваемые скоростные режимы, который к юдине 60-х годов достиг достаточно высокого уровня конструктивных решений на ¡е практически исчерпывающих теоретических обоснований.

Вопрос управления загрузочными режимами возник по мере совершенствова-г конструкций тракторов, в первую очередь их трансмиссий, в чем важную роль грали работы специалистов НА'ГИ. Одним из следствий этого стало увеличение шчества ступеней (передач). Сразу же стало очевидным, что необходимо более ра-энально использовать появившиеся возможности за счет точного и оперативного включения на основе инструментальных средств измерения параметров, характери-эших текущие значения нагрузки на двигатель, как в виде сигнализаторов (позже та: решения стали относить к информационно-советующим), так и в виде замкнутых тем автоматического управления.

Одновременно с этим шли поисковые работы в направлении создания бесступен-•ых трансмиссий, в частности, гидрообъемных. Здесь с самого начала были постав-[Ы вопросы автоматического управления, и появилось много разработок теоретиче->го и практического характера, среди которых наиболее продвинутыми были работы !.Гром-Мазничевского. В них по существу впервые был поставлен вопрос единства ¡авления скоростными и загрузочными режимами и сформулирована стратегия >го управления.

Для всех типов тракторных трансмиссий она сводится к двум целям: при выпол-(ии энергоемких работ, когда скорость агрегата ограничивается только мощностью [гателя, работающего на внешней регуляторной характеристике, необходимо свое-именным изменением передаточного числа трансмиссии поддерживать загрузку ¡гателя крутящим моментом в узкой зоне вблизи номинального значения. Если же

выполняется операция с относительно невысокой тяговой нагрузкой и имеются огрг чения скорости агрегата, необходимо поддерживать скорость вблизи установленн предела, маневрируя передаточным числом и переходом на разные частичные per; торные характеристики таким образом, чтобы удерживать двигатель в зоне режиме минимальным удельным расходом топлива. Переход от одной цели к другой < ществляется автоматически заданием скорости - максимально возможной или oi ниченной.

Применительно к ступенчатым трансмиссиям первые разработки теоретическ характера были сделаны в НАТИ под руководством П.П.Горбунова. В них впер было указано на возможность нежелательного автоколебательного режима -"звонкового" переключения - и определены условия его возникновения. Однако работы практического развития не получили из-за того, что в тракторах тогда не б: возможности, переключать передачи на ходу под нагрузкой.

Появление на отечественных тракторах К-700 и Т-150/150К, а несколько i же MT3-100/I02 механизмов, обеспечивающих переключение передач на ходу под грузкой благодаря отсутствию разрыва потока мощности (разработанных и внед) ных на основе предложений К.Я.Львовского и Н.А.Щельцына) создало благоприят) обстановку для возобновления работ в этом направлении. К тому же появилась i можность использовать для сбора и обработки информации, необходимой для ynj ления, электронную аппаратуру на интегральных микросхемах. Такие работы б: начаты нами в 1970 году совместно со специалистами НИИМикропри (г.Зеленоград).

.Объектом разработки стал трактор Т-150К. Основываясь на имевшихся сведег по возможностям его агрегатирования с рекомендованным шлейфом прицепных и весных машин, мы пришли к выводу, что даже при работах с ограничениями скоро* по требованиям агротехники этот шлейф обеспечивает практически полную загр; двигателя по мощности. В связи с этим мы предложили ограничиться только регу;ц ванием загрузочных режимов при работе на внешней регуляторной характеристике.

Нами был разработан и испытан в 1972-73 годах макет такой системы - авто переключения передач. По существу это была первая в мировой практике успещ попытка применить на тракторе микроэлектронную аппаратуру управления. Она ш зала принципиальную возможность использования таких средств на тракторах и i твердила потенциальную эффективность автоматического управления загрузоч« режимом (повышение производительности в проведенных опытах составило от 3 ; %). Вместе с тем возник целый ряд вопросов, требовавших теоретической проработ:

Прежде всего стало очевидным, что параметры любой системы управления ж ко связаны с реальной регуляторной характеристикой двигателя, и допуски на

крайне невелики. В то же время было установлено на основании обработки результатов сдаточных испытаний двигателей СМД-62 на Харьковском заводе тракторных цвигателей, что эти характеристики имеют существенный разброс по максимальной мощности и частотам вращения - поминальной и максимальной холостого хода. А по данным многочисленных испытаний тракторов было подтверждено, что эти характеристики обладают и существенной нестабильностью в эксплуатации - по мере увеличим наработки снижалась максимальная мощность и сбивалась настройка веережим-юго регулятора, причем при соответствующем обслуживании или ремонте эти пока-атели возвращались близко к исходному состоянию, однако накапливались и необ->атимые изменения. В связи с этим стало очевидно, что система управления должна (беспечивать самонастройку на текущее состояние характеристики двигателя в каж-;ый момент времени. Одновременно с этим было установлено, что известные па то ремя рекомендации по косвенному измерению нагрузки на двигатель по перемещению ейки регулятора топливного насоса нуждаются в пересмотре. Необходимо было найти ешения, позволяющие без каких-либо изменений корпусных деталей двигателя или опливного насоса получать в одном канале стабильную и достоверную информацию ак по изменениям нагрузки, так и по изменениям частоты вращения (было установле-о, что только одновременное измерение этих двух параметров обеспечивает само-аотройку), причем желательно было получать эту информацию в виде, наиболее чобном для сопряжения с цифровой системой обработки.

Такие решения были найдены нами на основе измерения длительности впрыска эпяива. Частота впрысков характеризовала частоту вращения двигателя, длитель-эсть впрысков изменялась в явной зависимости от крутящего момента (рис.4), а из-енение отношения длительности впрысков к их частоте довольно хорошо отслежи-шо изменения мощности. Оказалось также, что отношение длительности впрысков к ¡адрату или кубу частоты имеет довольно острый максимум в точке, соответствующей ;регибу регуляторной характеристики, что позволило предложить достаточно эффектный способ самонастройки. В то же время длительность (имеющая порядок единиц 1ллисекунд) легко измеряется в цифровой форме с высокой точностью (по этому же ти в конце 80-х годов пошли специалисты австрийской фирмы Штейр при ^лага приборов типа "Инфомат"). Для проверки такого решения наряду со стендовыми следованиями был разработан, изготовлен и испытан в нолевых условиях макет тменительпо к трактору Т-150К, в котором релизовывались измерение дяитель->сти впрысков, самонастройка на точку перегиба и сигнализация о выходе при пере-узке или недогрузке на уровень мощности ниже 85 % от номинальной. В результате пытаний более чем на 10 тракторах было подтверждено, что предложенный прием мерения полностью удовлетворяет предъявленным требованиям (попутно было уста-

новпено, что использование сигналов для переключения передач обеспечивает повыш ние производительности на 6-7 %).

Последующая практика ведения работ в этом направлении заставила отказатьс от представлений о достаточности управления только загрузочным режимом даже дт тракторов общего назначения кл. 3-5. В рядовой эксплуатации сплошь и рядом н; блюдалась недостаточная загрузка из-за отсутствия в достаточном количестве припе! ных и навесных машин, рекомендованных для этих тракторов. Для снижения перера хода топлива при ведении работ необходимо было ввести и управление скоростным режимами. Естественно, что понадобилось развитие теоретических основ всережимш го управления для тракторов со ступенчатыми трансмиссиями, которое продолжит бы как упомянутые разработки НАТИ, так и работы, проведенные на базе М1 (И.П.Кселевич, В.П.Тарасик, И.С.Нагорский и др.).

В окончательном виде основы этого управления сводятся к следующим положен: ям. В качестве объекта управления рассматривается моторно-трансмиссионш установка трактора (МТУ), включающая двигатель и коробку перемены переда Управление осуществляется в форме двух зам-кнутых контуров. Первый в качестве з дания имеет необходимую регуляторную характеристику двигателя и поддерживает регулированием подачи топлива. Второй в качестве задания имеет желаемую скорое движения трактора или частоту вращения выходного вала коробки (буксование зде не учитывается) и поддерживает их изменениями передаточного числа короб! (переключением передач) и задаваемой регуляторной характеристики (рис.5).

Для выработки алгоритмического содержания всережимного управления мш предложено использовать характеристику, названную крутильной характеристик! МТУ (по аналогии с тяговой характеристикой трактора). Она представляет соб< (рис.6) зависимости мощности на выходном валу коробки от крутящего момента и грузки па нем для различных передач

N = F(Mk,ij) при j = 1,2,3...п (8)

где Мк - крутящий момент нагрузки,.

ij - передаточное отношение j-ой передачи, п - число передач,

и может быть получена экспериментально или рассчитана предварительно по peí ляторной характеристике двигателя (в координатах крутящий момент - эффективн мощность) при допущении о постоянстве к.п.д. коробки - эффективная мощное умножается на этот к.п.д., а крутящий момент- на передаточные числа коробки по вс

1ередачам (можно показать, что допустимо строить крутильную характеристику и >ез учета потерь мощности в коробке).

имп «сек 1,0

1200 Мдв

Нм ---

1000 £ / ^

^—-

800 А ^ \ Л \

— • —. л

600 \\4_a.

^ "Х-V

400' \

200

1500

1700

1900

2100

2300 об/мин

Рис.4. Наложение результатов измерений на регуляторные характеристики дви-ателей. а) двигатель СМД-62 (измерения проведены Ю.К.Клейном), б) двигатель [МЗ-240Б;--Мдв, — Цшп, ======== - Шмп/со.

Крутильная характеристика оказалась очень удобным средством для рассмотрения :ногих вопросов. В частности, при работе на внешней характеристике с целью мак-имального использования мощности возникает вопрос, при каких значениях нагрузки елесообразно производить переключение передач. Если считать, что нагрузка изме-яется достаточно медленно и можно не принимать во внимание переходные процессы, э становится очевидным, что выполнение функционала 1 Т

№р = — 1'Ы(Мк,ц,1)сИ = шах (9)

Т О

1 время Т обеспечивается при таком изменении у, которое сводится к переключениям ри значениях нагрузки Мк, соответствующих точкам пересечения кривых для нежных передач. При этом, если передаточные числа составляют в соответствии с ре-эмендациями теории геометрическую прогрессию, все эти значения нагрузки соответ-•вуют одной и той же паре точек на регуляторной характеристике двигателя, пред-•авляющих собой пороговые значения недогрузки и перегрузки. При неравномер-эм распределении передаточных чисел (отсутствии геометрической прогрессии) для ьждой пары передач приходится назначать свои пороги, как это пришлось делать для >актораТ-150К.

Дальнейший анализ показал, что на этой же основе можно решать и другие вопро-I. Так, если рассматривать изменяющуюся нагрузку Мк как случайную функцию >емени с присутствием высокочастотных составляющих, то переключение передач

II контур

Рис.5. Контуры управления моторно-трансмиссионной установкой. Римскиг цифрами обозначены: I-система управления, II-коробка передач, III- топливный насс IV- двигатель. Буквами обозначены: V-заданная скорость, i- передача, Мвв- внешн нагрузка, совв- частота вращения выходного вала, М- нагрузка на двигатель, регуляторная характеристика, заданная водителем, q-подача топлива, ю- частота Bf щения вала двигателя.

Рис.б. Крутильная характеристика моторно-трансмиссионной установки тракт

ра.

нужно было бы организовывать по более сложному закону с привлечением определенного упреждения на основе, например, уравнения Винера-Хопфа, но при этом все равно ориентироваться на ту же цель (9). При этом можно вводить фильтрацию высокочастотных составляющих нагрузки, сокращая полосу пропускания до тех пор, пока ¡качение этого функционала не начнет заметно отличаться от предельного максимального значения при отсутствии фильтрации. А это не что иное, как требования к тинамическим характеристикам средства, измеряющего нагрузку прямо или косвенно. Практика испытаний показала, что разумная фильтрация характеризуется частотой :реза порядка 0,3 Гц или временем задержки не более 3 сек. Более длительная задержка ! отдельных случаях приводила даже к заглоханию двигателя от перегрузки.

Упомянутые выше приемы самонастройки были также найдены на основе кру-ильной характеристики. Для трансмиссий с геометрическим рядом передаточных от-юшений было предложено использовать то, что пороговые значения недогрузки и герегрузки соответствуют одному и тому же уровню мощности, который может быть мражен долей максимального значения. Для неравномерных транмиссий был предложен метод поправок с корректировкой начальных пороговых значений по знаку и ветчине изменения мощности двигателя в результате переключения. Оба способа были [роверены в экспериментальной аппаратуре и оказались вполне работоспособными.

Были проведены расчеты с использованием математической модели, учитывающей динамику переходных процессов двигателя и переключения передач. Она со-тояла из следующей системы уравнений:

0,39х— = Мд-Мс; сИ

Мд = 53,6 - 32,5 г + 0,6 х (236 - IV) при лу > 220;

4

1,24x10

Мд = - - 0,23г при и/ < 220;

iv

-4 2 с1г (10)

1,13x10 х ш = 0,3х — + Спр х г + р; сП

Спр = 8,85; F = 3,6 при w < 220; Cnp = 0,557; F = 5,38 при w > 220;

Мвыкл Мвкл Mc - - 4- -;

¡выкл ¡вкл dwB

0,33 x — = Мвыкл + Мвкл - Mk; dt

w

Мвыкл = Kjx Рвыкл(0 x sign (--та) < Mk ;

1выкл

w dwB '

Мвкл = Kj x (PBioi(t) x sign (-— wb) < Mk + 0,33 x — .

¡вкл dt

В этой системе введены обозначения: w - частота вращения в ала двигателя; Мс - нагрузка на двигатель;

z - ход муфты регулятора на уменьшение подачи;

Спр - приведенная жесткость пружины регулятора;

F - усилие натяжения пружины регулятора;

Мвыкл- момент, передаваемый муфтой выключаемой передачи;

Мвкл - момент, передаваемый муфтой включаемой передачи;

¡выкл- передаточное число выключаемой передачи;

¡вкл - передаточное число включаемой передачи;

wb - частота вращения выходного сала коробки;

Mk - момент на выходном валу от внешней нагрузки:

Рвыхл-давление в бустере выключаемой муфты;

Рвкл - давление в бустере включаемой муфты;

Kj - коэффициент пропорциональности.

Численные значения коэффициентов уравнений системы (10), в том числе i функций Рвыкл(0 и Рвкл(£), получены как по литературным данным, так и по резу

атам собственных экспериментов и предварительных расчетов. При этом начало из-(снения функций Рвыкл(0 и Рвкл((), соответствующее переключению передач, иниции-ювалось различными значениями нагрузки Мк.

Расчет показал, что достижение цепи (9) по максимальному использованию мощ-;ости двигателя обеспечивается, если переключение передач производится при на-рузках, соответствующих по корректорным ветвям кривых крутильной характери-тики перегрузкам по отношению к номинальному моменту, равным соотношениям :ередаточных чисел смежных передач рассматриваемых пар. Этот факт находится в :олном согласии с рекомендациями общей теории трактора по выбору соотношений ередаточных чисел трансмиссии по допустимой перегрузке двигателя.

Было установлено еще одно преимущество закона управления, реализующего ;ель (9). При переключениях передач в точках пересечения кривых крутильной харак-еристики оказываются минимальными значения коэффициента динамичности, опре-.еляемого но максимальному значению углового ускорения при переходе на высшую ередачу. Хотя работа и мощность буксования фрикционных муфт механизма без-'азрывного переключения оказались практически не зависящими от условий переклю-ения, минимизация этого коэффициента свидетельствует о повышении плавности невключения. Это позволяет считать безосновательными опасения, что автоматизация правления загрузочным режимом приведет к сокращению ресурса трансмиссии, ели частота переключений определяется по относительно низкочастотным изменеиям агрузки с шириной спектра не более 0,3 Гц, как указывалось выше.

Кроме того, само наличие автоматического регулирования загрузки указало на озможность некоторого увеличения ресурса двигателя. Несмотря на рост среднего начения нагрузки по крутящему моменту в пределе до 1,2 раза, которое должно было ы привести к пропорциональному повышению темпа износа, сокращение размаха зменений нагрузки, которое характеризуется размахом положений рейки топливного acoca и связано с темпом износа степенной зависимостью с показателем до 3,7, по-воляет ожидать в итоге снижения темпа износа двигателя не менее чем па 7 %.

На основе крутильной характеристики предложена номограмма (рис.7), по-воляющая наложить на характеристику двигателя и принятый ряд передаточных чи-ел коробки условия, обеспечивающие всережимное управление по комплексному ритерию - максимум средней мощности при энергоемкой работе и минимум расхода оплива при недостаточной загрузке трактора и наличии ограничений по скорости.

Эти теоретические представления разрабатывались совместно с Л.И.Гром-1азничевским. В последующем им были предложены и реализованы понятия о необ-одимых действиях системы управления при резких изменениях нагрузки (глубокая и чень глубокая перегрузка или недогрузка).

Неожиданно важным вопросом оказалась концепция исполнительных органов с стемы управления. Противопоставлялись два подхода - объединенный механизм пер ключения передач и воздействия на регулятор топливного насоса и раздельное испс иение исполнительных механизмов. Первый подход привел к достаточно эффектов действующей конструкции, разработанной ХТЗ под руководством Л.И.Гра Мазничевского. Однако проведенный нами анализ показал, что раздельное исполнен более перспективно с учетом обозначившейся уже тогда тенденции к электронно управлению топливоподачей, что и стало основой ведения дальнейших работ. Эта т< денция в последние годы все шире распространяется в мировой практике, особеннс связи с повышением экологических требований (к сожалению, у нас этот вопрос пс беспокоит в основном только автомобильную промышленность).

Несмотря на то, что работы до созданию систем управления режимами подц< живались большинством ведущих специалистов предприятий и входили в число вкл ченных в программы ГКН'Г (задание 02.04 проблемы 0.18.04, выполнявшееся под I шим руководством), реализация их результатов столкнулась с характерными I своего времени препятствиями (в частности, с отсутствием производственных моид стей для изготовления исполнительных механизмов). В конечном итоге можно с метить только успешное прохождение заводских испытаний системы "САУР-Т-150 на ХТЗ и разработку Кировского завода, реализованную в конструкции подготовлю кого к производству трактора К-701М как вариант заказного оборудования.

В середине 70-х годов наше внимание привлекли возможности автоматизаи управления режимом: трогания и разгона трактора с фрикционной муфтой сцеплен Опираясь на предложенное Г.М.Кутьковым математическое описание этого процес которое по существу представляло собой развитие подходов, разработанных ранее том числе специалистами НАТИ, была составлена уточненная модель, с помощью ] торой были рассмотрены варианты наложения обратных связей для получения у] нереального для всех случаев работы трактора закона управления замыканием муфт

Существо этой модели состояло в очевидном представлении трогания и разге как трехэтапного процесса (без учета провисания сцепки), в котором первый этап чинается с началом замыкания муфты и состоит в закрутке валов трансмиссии до ■ пор, пока передаваемый крутящий момент не сравняется с величиной статического противления. На следующем этапе увеличение передаваемого момента происход при продолжающемся буксовании муфты и обеспечивает трогание и разгон тракте до некоторой скорости вплоть до прекращения буксования муфты. На последнем эг; буксование муфты отсутствует и завершается разгон трактора до скорости, опре темой статическим сопротивлением и передаточным числом трансмиссии. Лредпо. галось, что применение такой системы управления позволит повысить ресурс важнол

Рис.б. Номограмма всережимного управления моторно-трансмиссионной установкой.

узла - муфты сцепления - в рядовой эксплуатации с относительно невысокой квалифи кацией обслуживающего персонала, что было особенно характерно для первых ле массового внедрения новых тракторов ХТЗ. Кроме того, в то время на повестке дн стояли поисковые разработки по различным возможностям использования тракторо: без человека на борту - групповое вождение, дистанционное управление, трактор робот.

Было установлено, что достаточно эффективный закон управления реализуете, при использовании обратной связи по частоте вращения вала двигателя. Была пред ложена нелинейная характеристика центробежного типа (рост усилия замыкания про порционален квадрату частоты) и разработаны схемные решения автомата управлс ния замыканием муфты. Однако и это направление в то время не подучило должноп развития и интерес к нему возобновился только в последние годы на ХТЗ в рамка проблемы комплексной автоматизации (необходимо отметить, что в начале 90-х годо появились зарубежные рекламные публикации с предложениями оснащения тракторо: устройствами, обеспечивающими автоматическое управление замыканием муф'п сцепления).

Результирующая оценка состояния и перспектив этого направления сводится . выводу о целесообразности дальнейшего продолжения работ по созданию и освоении систем двухконтурного управления моторно-трансмиссиолной установкой с учето; перехода к электронному регулированию толливоподачи в дизельный двигатель. Pea лизация этого направления можег обеспечить по сравнению со средними сегодняшним] показателями повышение производительности от 5 до 15 %, снижение погектарной расхода топлива от 5 до 12 %, сокращение токсичности выхлопа до уровня перепек тивных мировых норм и повышение ресурса двигателей на 3-5 %.

Очень важно, чтобы с учетом этих ожидаемых эффектов новые модели тракторо: оборудовались трансмиссиями, позволяющими производить переключение переда-под нагрузкой без разрыва потока мощности и имеющими механизмы управления, по зволяюшие напрямую подавать команды управления в виде электрических сигналов скорее всего гидравлические или электрогидравлические. Здесь следует отметить, что : зарубежном тракторостроении в последнее время темпы роста числа таких трансмис сий существенно выше, чем темпы роста появления систем автоматического управле ния ими.

В научно-исследовательском плане представляется необходимым наряду с даль пейшим совершенствованием программно-алгоритмических и аппаратно конструктивных решений по системам управления организовать комплексные исследо вания по совместной оптимизации совокупности "двигатель с большим запасом кру тящего момента (ДПМ) - многоступенчатая трансмиссия - система управления"

Можно ожидать, что в такой постановке могут быть найдены решения по оптимальному выбору числа ступеней трансмиссии.

1.3. СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ.

Проведение поисковых разработок по использованию тракторов без человека на борту заставило обратить внимание на обеспечение аппаратного контроля технического состояния и необходимость автоматической аварийной защиты. Более детальная проработка показала, что и при обычном использовании тракторов применение электронной аппаратуры контроля и аварийной защиты обещает вполне определенные эффекты в виде сокращения трудоемкости обслуживания, перехода от обслуживания по периодичности к обслуживанию по потребности, предупреждения отказов и возможности в перспективе добиться достоверного прогноза остаточного ресурса. В это же время ряд зарубежных фирм начал оснащать тракторы электронными щитками приборов с цифровыми и аналоговыми индикаторами и аварийными сигнализаторами, гораздо более компактными, чем щитки с традиционными стрелочными приборами и ламповыми индикаторами. Стало очевидным, что этот вопрос следует рассматривать как новое самостоятельное направление автоматизации.

Выяснилось, что развитие этого направления требует в основном отработки методических подходов к выбору параметрических и конструктивных решений. В первую очередь возник вопрос номенклатуры контролируемых, параметров.

Попытка решить его методом экспертного опроса с выбором экспертов среди ведущих специалистов конструкторских бюро тракторных заводов оказалась безуспешной. При первом опросе принятие их предложений привело бы к неоправданному перенасыщению тракторов датчиками и проводкой. Затем на их мнение наложилось осознание того, что наличие такой аппаратуры станет объективным средством контроля качества изготовления трактора и увеличит количество рекламаций, если не будут приняты соответствующие меры организационно-технологического характера. В конечном результате опрос позволил только очертить пределы, внутри которых находятся разумные решения.

Не более плодотворной оказалась попытка применения функционально-стоимостного анализа (ФСА). Здесь не удалось обеспечить получение достоверной исходной информации как по затратам на реализацию каждой рассматриваемой элементарной функции контроля, так и по достигаемым благодаря ей эффектам.

Наиболее разумным представилось понятие интегральных параметров, под которым понимается способность какого-либо параметра отражать в динамике своего

изменения совокупность факторов, характеризующих техническое состояние важных узлов и механизмов трактора. К таким параметрам были отнесены давления в некоторых системах (например, в системе смазки двигателя) или температуры в некоторых точках. В то же время было предложено учитывать и динамику процесса изменения технического состояния с точки зрения влияния на скорость изменения интегрального параметра (например, как быстро потеря масла из какого-нибудь механизма приведет к его перегреву). При таком подходе стало возможным гораздо проще для каждого конструктивно-компоновочного решения по трактору в целом предложить разумную номенклатуру контролируемых параметров, учитывающую также и уверенность разработчика и производителя трактора в достигнутом уровне качества и его сохранении при нормальной эксплуатации.

Проработка номенклатуры контролируемых параметров вывела на важный аспект проблемы - обеспеченность необходимыми датчиками. Сразу же выяснилось, чтс производившиеся в то время в автомобильной промышленности датчики не могут обеспечить решение поставленной задачи из-за недостаточной точности. Собственные НИОКР автомобилестроения аналогичного характера опирались на экспериментальные и опытные образцы, выпускавшиеся в ограниченных количествах и практически недоступные для наших работ. В связи с этим было принято решение на перво!« этапе разработать и изготовить собственными силами прототипы датчиков по все{ номенклатуре, обеспечив комплектование систем для испытаний на тракторах и уточнив в ходе испытаний технические требования по каждой позиции. Эта работа был« проведена в Сибирском отделении НЛТИ.

По ее результатам иод нашим руководством были составлены окончательны; технические требования на в се необходимые типы датчиков. Эта требования были рас смотрены и согласованы на уровне многостороннего сотрудничества сгран-члено! СЭВ после дополнительной проработки совместно со специалистами института УУ1.

(г. Мартин, Чехословакия), На их основе в соответствии с действовавшим поряд ком нами были составлены и переданы от имени отрасли в Минприбор тематически! карточки на разработку и производство более 10 типов датчиков. В конечном итоге п< нескольким позициям были предложены близкие по характеристикам датчики из числ; освоенных, а по датчику температуры выхлопных газов была выполнена с нащш участием разработка, доведенная до готовности производства на Луцком приборо строительном заводе.

В последующем по этим вопросам удалось организовать более тесное сотрудни чество с автомобильной промышленностью в лице НПО "Автоэлектроника'1. Был; разработана и в настоящее время реализуется программа создания и освоения дат чиков, в полной мере учитывающая потребности тракторостроения по представление!

нами номенклатуре, в т.ч. несколько отличающиеся от потребностей автомобилестроения (в частности, для датчиков давления по диапазонам измерения, а для датчиков, устанавливаемых на двигателях - по требованиям вибропрочности) .

При окончательном рассмотрении номенклатуры контролируемых параметров было принято во внимание, что предоставляемая системой контроля информация должна служить основой принятия решений на каждой стадии работы. Фактически это сводится к информированию пользователя о готовности или неготовности к пуску двигателя или началу движения, а также о необходимости принятия экстренных мер. Такой подход в принципе позволяет обойтись минимальным числом контролируемых параметров. Кроме того, имеется возможность предъявлять информацию в виде блоков (страниц), соответствующих каждому этапу действия системы контроля - тест системы сразу же после включения ее питания от бортсети, перед пуском двигателя, перед началом движения (работы), при работе в нормальном режиме и при возникновении отклонений от нормы. Соответствующий алгоритм функционирования системы (рис. 8) легко реализуется электронной аппаратурой, особенно микропроцессорной.

Тем не менее было показано, что имеется необходимость учитывать и некоторые дополнительные обстоятельства. В ряде случаев полезно дать пользователю возможность узнать по его запросу значения некоторых параметров. Более того, минимизируя объем предлагаемой информации, можно дойти до того, что при отсутствии отклонений от нормы никакая информация не будет поступать вообще. Понятно, что это может привести к нежелательной неуверенности пользователя, не различающего нормальную работу трактора от неисправности его системы контроля. В связи с этим полезно непрерывное предъявление параметров, заметно изменяющихся и при нормальной работе, например, частоты вращения вала двигателя. Поэтому в окончательном виде алгоритм предъявления информации получил несколько более сложный вид, учитывающий цифровую индикацию некоторых параметров по выбору (по вызову).

Необходимость размещения средств визуального предъявления информации (индикаторы и сигнализаторы) на ограниченной площади передней панели кабины заставила широко использовать условные обозначения - символы. Сразу же встал вопрос их рационального размещения для быстрого и безошибочного восприятия. При его решении мы впервые столкнулись с необходимостью учитывать групповые психологические особенности того профессионального контингента, для которого тредназначались создаваемые системы.

По нашему поручению и по разработанной совместно с нами методике соответствующие исследования были проведены в Белорусском филиале ВНИИТЭ под руко-юдством Л.А.Вайнштейна. С одной стороны они стали началом плодотворного со-■рудничества в течение ряда лет, в конечном итоге приведшего к достаточно цельной

ДЕЙСТВИЯ ЛОГИКА . СООБЩЕНИЕ

i начало!

ВКЛЮЧЕНИЕ БОРТСЕТИ

нет 1 да

Рис.8. Алгоритм функционирования системы контроля.

концепции эргономического обеспечения, о которой более подробно будет сказан! ниже. С другой стороны был получен конкретный и довольно неожиданный результат Для сравнения были предложены различные варианты группирования символь ных сигнализаторов - по группам однородных параметров (давления, температурь; уровни и т.д.), по группам параметров узлов трактора (двигатель, трансмиссия, гидре система и т.п.) и с расположением на мнемосхеме трактора. Оказалось, что профес сиональная группа водителей-испытателей МТЗ и студентов БИМСХ показала прин ципиалыю отличающиеся от других участвовавших профессиональных труп: (например, инженеры-прибористы) особенности восприятия символьной информа

(например, инженеры-прибористы) особенности восприятия символьной информации. Это явилось следствием того, что выполнение последовательных действий по схеме "стимул - восприятие - опознание - решение - реакция" на каждом этапе опирается на совокупность профессиональных знаний и навыков, влияющую на скорость каждого действия. В результате было рекомендовано и в последующем использовалось размещение сигнализаторов с символами внутри мнемосхемы трактора и его основных узлов.

Вслед за этим выяснилось, что стандартизованная к тому времени на уровне международного стандарта ИСО концепция трехкомпонентого синтеза символов (среда, узел, параметр) приводит к чрезмерному разрастанию их библиотеки, затрудняющему их быстрое и безошибочное восприятие. К тому же в зарубежной практике употребление символов, как правило, сопровождалось поясняющими надписями, в основном на английском языке. Понятно, что такой подход, да еще с надписями на русском языке, сделал бы неприемлемыми размеры приборной панели или вызвал существенное неудобство использования. Поэтому было предложено и реализовано в образцах систем двухсимволыгое предъявление сигналов, при котором в определенном месте мнемосхемы, соответствовавшем конкретному узлу, предъявлялся безсимволь-ный аварийный сигнал, а отдельным рядом предъявлялся символ параметра (давление, уровень, температура, фильтр). При этом для небольшой части важнейших параметров имелась возможность вызова на цифровой индикатор клавишей с одно-, двух-или трехкомпонентным символьным обозначением (рис.9). Это позволило при контроле около 40 параметров сохранить показатели восприятия на приемлемом уровне и разработать унифицированную конструкцию передней панели со значительным сокращением габаритов по сравнению с традиционным щитком приборов.

Для выбора характеристик звукового сигнала, которому отводится роль стимула, привлекающего внимание водителя к появившемуся визуальному сигналу, был использован подход на базе спектральных характеристик. Спектральная характеристика звукового сигнала должна выбираться так, чтобы она оказалась в основном "вне" спектра внутреннего шума в кабине, что позволяет обеспечить приемлемое восприятие сигнала при его относительно невысокой интенсивности.

Эти результаты позволили провести разработку образцов систем для практически всех выпускавшихся тогда тракторов, начиная с кл. 1,4, на основе единого аппаратного решения. При этом впервые в отечественной практике была использована технология пленочных панелей со встроенной клавиатурой на псевдосенсорной основе, которая обеспечивает ряд значимых преимуществ перед другими возможными решениями (в настоящее время по существу только она и применяется в электронной аппаратуре зарубежных тракторов). Были спроектированы, изготовлены и переданы заводам для

— о

М i 4 4

EE)

□ f V К*--*/ hi

-СГ- > ул. Ч км "а

Рис.9. Графическое решение передней панели системы контроля (вариант для трактора ДТ-175С). Сверху слева - символы ситуаций (слева направо: недостаточный уровень, забивание фильтра, недостаточное давление масла, перегрев, чрезмерно высокая частота вращения). Внизу справа клавиши вызова и управления (слева направо и сверху вниз: скорость, частота вращения вала двигателя, частота вращения ВОМ, напряжение аккумуляторной батареи, давление масла в системе смазки двигателя, температура охлаждающей воды, давление масла в трансмиссии, запас топлива, регулятор яркости свечения индикации, наработка двигателя, пробег, резерв).

испытаний опытные образцы и утверждено согласованное со всеми конструкторскими организациями отрасли техническое задание. В последующем оно стало составной частью концепции комплексной автоматизации на базе бортового компьютера, разработка которой описана ниже.

Еще в начале этих работ стало очевидным, что в числе контролируемых параметров имеются требующие немедленного реагирования при выходе за допустимые пределы. К ним относятся давление масла в системе смазки двигателя, температура двигателя и некоторые другие. Было предложено, не дожидаясь завершения разработки полноценных систем контроля, создать относительно более простые и дешевые средства автоматической аварийной защиты, работающие по ограниченному числу наиболее критичных параметров, к которым были отнесены падение давления в системе смазки двигателя, перегрев двигателя и недопустимое превышение частоты вращения его вала.

Основные вопросы этой задачи носили также не теоретический, а методический характер. Предусматривая двухступенчатое действие системы - сначала предупреждение о возникшей аварийной ситуации, а затем принудительную остановку двигателя, необходимо было разработать алгоритм системы для всех возможных условий работы трактора, в том числе и на транспортных режимах по дорогам общего пользования, найти надежный способ остановки двигателя и решить ряд схемно-параметрических вопросов. Главное же заключалось в методическом подходе к нахождению аргументов, подтверждающих экономическую целесообразность применения такой системы.

Разработка этой системы под условным обозначением САЗД (система аварийной защиты двигателя) была организована в Сибирском отделении НАТИ (ныне - Институт автоматизации агропромышленных объектов). В со ходе удалось получить удачные решения всех необходимых вопросов. - Была разработана автоматическая пусковая блокировка зашиты по давлению масла, не препятствующая пуску двигателя и не требующая никаких действий водителя по приведению системы в рабочее состояние после пуска двигателя - эта защита включалась автоматически после пуска двигателя, причем сигналом о начале работы двигателя служили пульсации напряжения в цепи питания, что исключило обязательную необходимость комплектовать систему датчиком частоты вращения. Из нескольких возможных вариантов был выбран наилучший способ принудительной остановки двигателя прекращением доступа топлива через электромагнитный клапан, на разработку которого было выдано техническое задание, успешно реализованное в ЦНИТА.

Для подтверждения экономической целесообразности применения САЗД.была предложена и с одобрения заказчика включена в программу государственных испыта-

ний методика экспертизы двигателей, поступающих в ремонт на специализированные региональные предприятия. По ее результатам было установлено, что массовое применение САЗД может сократить посгупление в ремонт двигателей с недоизрасходован-ным ресурсом, из которых от 30 до 35 % ремфонда составляли двигатели со следам* работы с недостаточным давлением масла в системе смазки или перегревом.

Эти опенки и успешное проведение приемочных испытаний САЗД на 6 машиноиспытательных станциях обеспечили принятие решения о постановке этой системы нг производство. Оно было начато в 1988 году для Волгоградского и Павлодарского заводов. Электронный блок выпускался в Болгарии на заводе ЗЕНА, а электромагнитные клапан принудительной остановки двигателя - в Алтайском моторостроительном ПО.

Организация производства САЗД как первой электронной системы отечественно го тракторостроения потребовала решения совершенно новых для нас организационно-методических вопросов. Из них особого упоминания заслуживает комплекс во просов обеспечения качества, в число которых была организация системы идентично го контроля электронных блоков как у изготовителя, так и у заводов-потребителей.

К сожалению, производство САЗД в Болгарии с 1992 года прекращено. Всего было выпущено около 200 ООО комплектов. Тем не менее опыт, накопленный при ее разработке и организации производства, содержит множество сведений, которые неминуемо окажутся полезными для решения аналогичных вопросов в будущем. В их числе порядок разработки и согласования технических условий поставки и упомянутая организация двухсто роннего контроля, а также методика наблюдения за эксплуатацией впервые освоенных средств.

При оценке состояния этого направления необходимо подчеркнуть, что применение таких систем (электронных приборных щитков) является в зарубежном тракторостроении наиболее распространенным, в том числе в качестве штатного оборудова ния многих моделей. С одной стороны это расширяет возможности инструментально го контроля за состоянием агрегатов и систем трактора, позволяя, в частности, в ряде случаев перейти от обслуживания по периодическому регламенту к обслуживанию пс потребности. С другой стороны не следует отрицать некоторого рекламного оттенк; из-за очевидности присутствия такой системы на тракторе как явного признака совре менного технического уровня, дизайна и т.п. Наконец, такие системы проще всегс становятся штатным базовым ядром для дальнейшего развития номенклатуры уста навливаемых на трактор средств автоматизации. В связи с этим, как показано ниже такие системы нами также отнесены к первоочередной номенклатуре. При этом выбо| номенклатуры контролируемыых параметров должен быть произведен на основе пред ложенного понятия об интегральных параметрах после окончательного выбора кон структивных решений новых моделей тракторов, в связи с чем в рамках данного до

клада конкретные рекомендации не приводятся, хотя применительно к конкретным моделям или семействам типовые наборы нами разработаны.

Что касается системы аварийной защиты как самостоятельного изделия, следует отметить, что, к сожалению, ни НЛТИ, пи освоившим ее заводам не удалось организовать изучение результатов эксплуатации тракторов с этими системами. Имеющаяся информация противоречива и отрывочна. Тем не менее можно считать, что применение таких систем продолжает заслуживать внимания, особенно на тракторах низких тяговых классов при их использовании в фермерских хозяйствах с семейной организацией работы (на тракторе могут работать члены семьи владельца, не обладающие квалификацией, достаточной для эффективного контроля за возникновением неисправностей).

1.4. ИНФОРМАЦИОННО-СОВЕТУЮЩИЕ СИСТЕМЫ.

Рассмотренные выше аппаратные средства предъявляют информацию двух видов. Либо это аналоговое или цифровое предъявление изменяющейся величины некоторого параметра, либо сигнал о том, что некоторый параметр стал больше или меньше установленного заранее порогового значения (возможны по некоторым параметрам и оба вида вместе). Однако возможности электронных средств позволяют также вырабатывать и предъявлять на основе первичных измерений определенные рекомендации по управлению трактором. Системы, вырабатывающие такие рекомендации, принято называть информационно-советующими или просто советующими. При этом могут применяться достаточно сложные программы, содержащие алгебраические, логические и временные соотношения в пределах системы команд процессора. Однако поскольку за оператором остается право выбора принять или не принять предлагаемую рекомендацию, которое он реализует с привлечением дополнительной неинструмен-гальной информации и прогнозирования, программное обеспечение советующих систем может не претендовать на абсолютную оптимизацию, опираясь на менее точные, то более простые алгоритмы, и благодаря этому вписывается в относительно недорогие аппаратные решения.

Поэтому было принято, что советующие системы могут занимать в проблеме 1втоматизации промежуточное положение между информационными и управляющими :истемами. Целесообразность применения советующих систем возникает там, где пере-сод к управляющим системам или слишком дорог по аппаратному обеспечению, или юпросту нереален.

Применительно к современному сельскохозяйственному трактору область применения советующих систем довольно узка. В основном она сводится к выбору режи-

мов работы двигателя по нагрузке и частоте вращения, который основан на обработк результатов измерения текущих значений этих параметров.

Напомнив, что нагрузка в основном регулируется переключением передач, мож но указать на два варианта пользования. Ксли трактор имеет трансмиссию, допус кающую переключение на ходу под нагрузкой, рекомендации могут быть более опера тивными и иметь вид прямых директив по переключению в ту или иную сторону. Пр] этом, однако, необходимо избегать чрезмерно частого появления этих директив, чтоб! не вызвать негативной реакции оператора.

Если трактор оборудован обычной трансмиссией, рекомендации должны быт: более взвешенными на основании более длительных интервалов наблюдения и усредне ния. Использование этих рекомендаций сводится к выбору передачи, обеспечивающее приближение средней загрузки двигателя к оптимуму.

Эффективность советующей системы по выбору передач оценивается по аналоги! с результатами испытаний мног их различных образцов так называемых сигнализаторо нагрузки повышением производительности на 5-10 % и примерно таким же снижение? расхода топлива на каждый обработанный гектар. Кстати говоря, при испытания: описанного в разделе 1.2 макета, основным назначением которого была проверка пред ложенных методов измерения нагрузки и самонасгройки, были получены данные о по вышении производительности на вспашке на 6-7%.

Определенный эффект ожидается и от советующих систем более узкого назначе ния. Так, если работа трактора сопровождается частыми остановками при отсутствш прямого стартерного пуска двигателя, который не глушится при остановках, с целы« сохранения ресурса двигателя и избежания неисправностей типа закоксовывыани. форсунок можно обеспечить подсказку о переходе на пониженный скоростной режим об истечении определенного времени стоянки и т.п. Просматривалась и выработка ре комендаций по проведению необходимого обслуживания как на основе учета длитель ности работы, так и по результатам совместного анализа параметров технического со стояния.

Из этих соображений в 1986 году была начата разработка такой системы условным обозначением ИСТ (информационная система трактора) для трактора Т 150К. Кроме НАТИ, в этой работе активно и плодотворно участвовали УНИИМЭС5 (Л.И.Гром-Мазничевский), БФ ВНИИТЭ (Л.А.Вайнштейн и Л.Н.Стожарова), ГСК1 ХТЗ (С.Л.Абдуяа и И.А.Скрыгшик) и Институт радиоэлектроники в Софи] (В.Волчанов, Г.Тановский). В ходе разработки обнаружилось наличие ряда специфи ческих вопросов, требовавших углубленной проработки и не опиравшихся на из вестные теоретические и методические предпосылки.

В отличие от управляющих систем с хорошо разработанными приемами анализа и синтеза, советующие системы, предусматривающие наличие и активное действие человека, не имели таких приемов. Это заставило тесно увязывать алгоритм выработки циректив и конструктивные решения но средствам предъявления визуальной и звуковой информации с эргономическими соображениями, учитывающими особенности человеческого восприятия в условиях работы на тракторе, и уделить повышенное внимание испытаниям в натурных условиях. В результате удалось обеспечить достаточно тинамичные, но не назойливые рекомендации по переключению передач, без особых усилий воспринимаемые водителем благодаря сочетанию визуальных и звуковых сигналов.

В методическом плане эти результаты стали отправной точкой для развития в юнцепцию эргономического обеспечения. Кроме того, стало возможным сформулировать общие рекомендации по созданию информационно-советующих систем, содержащие требования к средствам индикации, органам управления и динамическим характеристикам.

Было подчеркнуто, что эффективность использования ипформационно-юветующих систем связана с наличием у пользователя стимулов дои производительной I экономичной работы (понятие "заинтересованного пользователя"). Использование в )тих системах таких современных средств, как микропроцессоры (в наиболее совер-пенной форме однокристалльных микро-ЭВМ) поволяет без увеличения стоимости ишаратуры и при достаточно ограниченной номенклатуре датчиков реализовать до-юлнительно целый ряд функций контроля, аварийной защиты и даже диагностики. В 1астности, наряду с аварийной защитой по давлению масла в системе смазки двигателя, ю перегреву двигателя и по недопустимому увеличению частоты вращения его вала >ыла реализована актуальная для тракторов такого типа функция сигнализации о бук-:овании фрикционных элементов трансмиссии. Она опиралась на сравнение суммарных углов поворота выходного вала коробки передач или ВОМ за соседствующие ин-•ервалы времени, в течение которых коленчатый вал двигателя поворачивался на >дин и тот же заданный суммарный угол. Для оценки в условных единицах мощности (вигателя могло определяться угловое ускорение разгона его вала до максимальной [астоты холостого хода.

Отработка этой системы стала источником опыта по организации коллективной >аботы, в которой присутствовали как персональная ответственность и право приятия решений но порученному кругу вопросов, так и групповая деятельность. При ей использовались такие способы, как консенсус и мозговой штурм, что позволило ыстро находить в каждом случае наилучшие решения.

Разработанные по согласованному с ХТЗ техническому заданию образцы ИС успешно прошли заводские испытания. К сожалению, и эта работа была прервана н стадии подготовки к выпуску опытной партии для приемочных испытаний.

Перспективы этого направления можно указать с учетом как нашего, так и зар; бежного опыта. Понимая, что такие системы уступают по эффективности система управления, но существенно дешевле, следует считать, что здесь может проявиться сш цифический потребительский контингент и необходимо сохранять готовность уде влетворить спрос, дом чего в программах создания и освоения средств автомат! зации целесообразно предусматривать место для информационно-советующих систе если не в первоочередной номенклатуре, то и не в очень далекой перспективе. Ец более целесообразным может оказаться введение некоторых советующих функци (например, по выбору передачи) в системы контроля и аварийной защиты.

1.5. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ.

Измерение действительной скорости движения тракторов и вытекающие из пег возможности определения буксования и учета пройденного пути и обработанной плс щади распространились в зарубежном тракторостроении в середине 80-х годов. Пр( имущественное распространение получили радарные датчики на основе эффекта Дог плера с использованием радиоизлучения с длиной волны от 3 см и менее (частоты от 1 ГГц и выше). Разработка системы измерения действительной скорости с таким датч1 ком была начата нами совместно с болгарскими специалистами по планам сс вместного предприятия "Агроавтоматика" в 1987 году. Она завершилась выпуско: опытной партии универсальных информационных систем (УИС) в количестве 10 штук, которая с 1993 года распространяегся в опытную эксплуатацию преимуществе! но на тракторах К-701 и К-701М в сотрудничестве с фирмой "Кировец-сервис".

Не останавливаясь на особенностях решения аппаратных вопросов, решавшихс в основном под руководством В.С.Хаби, в данном докладе освещаются вопрось связанные с обеспечением потребительских свойств разработанной системы, оправдь вающих ее применение на тракторах различного назначения. Для этого необходим было сформулировать такие технические требования к характеристикам системы, кс торые бы обеспечивали достоверную и полезную информацию, позволяющую повь сить эффективность работы трактора. Необходимо было также найти способы испол! зования этой информации в наиболее доступной для рядового пользователя фор^ (что, по нашему мнению, не решено ни в одной зарубежной системе аналогичного на: начения).

-

Понимая, что в пределах приемлемых по аппаратной стоимости решений вряд ли юстижима точность измерения лучше 2 %, необходимо было определить нижний тредел измеряемой скорости (для допплеровского способа измерений именно эта ве-тичина является критичной) и оптимальную величину времени усреднения. Было установлено, что для сельскохозяйственных тракторов вполне приемлемы нижний предел 3 ш/час (в УИС точность не хуже 2 % обеспечивается от 2 км/час) и время усреднения 2 ;екунды. Применительно же к тракторам промышленного назначения, в которых это «мерение предполагалось использовать в системах управления с высокими требова-шями к динамическим характеристикам, нижний предел был установлен равным 0,2 см/час, а время усреднения - 0,2 сек (в ходе последующей разработки системы измере-шя специально для этих целей при испытаниях экспериментальных образцов на ЧЗПТ 1а скорости 0,1 км/час была получена точность лучше 1,5 %).

Для уверенного обеспечения требуемой точности не только самой действитель-юй скорости, но и теоретической скорости для определения буксования, был предло-кен и реализован алгоритм калибровки, не имеющий аналогов ни в одной из известных арубежных систем. Он заключается в получении и запоминании поправочных коэффициентов по обоим каналам измерения одновременно, что исключило влияние на •очность измерения таких факторов, как неточность установки радарного датчика по (аклону к опорной поверхности, вариации радиуса шин и постоянный продольный налов остова. Последующий опыт показал, что проведение калибровки в эксплуата-[ионных условиях не вызывает никаких затруднений.

Особого внимания потребовала разработка рекомендаций по использованию ин-юрмации, предоставляемой УИС, для рационального управления режимами работы рактора. В конечном итоге они свелись к приемам выбора рабочей передачи и пре-доления кратковременных скачков буксования.

Опыт показал, что трактористы даже средней квалификации легко усваивают эти екомендации и охотно пользуются предложенными приемами. Оценка эффективности аботы с рекомендованным применением УИС производилась при испытаниях как в тециализированных испытательных организациях, так и в хозяйствах. Былоустано-ясно, что выполнение таких рекомендаций на различных тракторах и работах приво-итк повышению производительности от 5,9 до 19%, а погектарный расход топлива шжается от 4,8 до 13,2 %.

Теоретические основы этих рекомендаций вытекают из рассмотрения тяговых 1рактеристик тракторов при допущении, что рассматриваются изменения тяговой агрузки в пределах, позволяющих считать буксование пропорциональным ее значено. В этом случае оказывается, что информация о действительной скорости и буксо-шии позволяет маневрировать передачами, обеспечивая оптимизацию по максимуму

тяговой мощности. Более того, проработки последнего времени показали возмо» ность построения советующей системы с автоматическим вычислением условий выдач рекомендаций по такому маневрированию.

Дальнейшее развитие в этом направлении просматривается в еще более эффе» тивном управлении с точки зрения ограничения буксования. Предложено дополнит два контура, описанных в разделе 1.2, третьим, в котором будет вырабатываться задг ние по теоретической скорости с учетом недопущения выхода буксования на участо резкого возрастания. Определено, что для такого контура понадобится информация действительной скорости, буксовании и тяговой нагрузке. Особая целесообразност такого управления увязана с возникшими в последнее время предложениями о создани экологически чистых тракторов с повышенными требованиями к уровню вредных во: действий на окружающую среду, в частности, на почву.

Применительно к промышленным тракторам рассматривались наиболее рацис нальные направления использования измерений действительной скорости в система управления. Для бульдозерных агрегатов был разработан и принят ЧЗПТ алгорита основанный на оптимальном управлении давлением и ходом цилиндров заглублени по максимуму тяговой мощности. Для колесных погрузчиков и бульдозеров Кирот скому заводу было предложено разработать систему ограничения буксования да снижения износа шин. В настоящее время эти предложения изучаются специалистам заводов и предполагается приступить к их реализации в ближайшее время.

Итоговая оценка этого направления показывает, что оно должно находиться числе первоочередных как по степени готовности к массовому освоению, так и э<| фективности влияния на повышение потребительских свойств тракторов. Не случайн в зарубежном тракторостроении мониторы с измерением действительной скорости вычислением и контролем буксования получили очень широкое распространение. Хот упомянутую опытную партию УИС еще не удалось разместить в объеме, позволяй щем получить дополнительное подтверждение эффективности, в связи с резким сокрг щением производства тракторов К-701 иК-701М, а других мощных колесных тракте ров в России не производится, целесообразность продолжения подготовки производ ства средств измерения действительной скорости сомнений не вызывает.

1.6. КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ТРАКТОРОВ.

В конце 70-х годов в НАТИ и его подразделениях велись работы практическ по всем известным в то время направлениям автоматизации тракторов. Возникла п< требность в единстве методологического подхода, которое могло быть обеспечен

только в рамках систематизации задач и методов их решения в форме единой целевой комплексной программы.

Такая работа была организована совместно с ВИСХОМ и рядом НИИ и ВУЗ'ов в 1978 г. В результате была разработана программа, включавшая систематизацию работ на основе дерева целей, а также единую методологию разработок, испытаний и технико-экономической оценки различных средств автоматизации сельскохозяйственной техники и комплекс организационно-технических мероприятий по обеспечению ее выполнения.

Была также выполнена прогнозная оценка экономической эффективности применения различных средств автоматизации. Оказалось, что наибольшего эффекта следовало ожидать от комплексного использования этих средств, при котором результирующий эффект превосходил сумму эффектов от применения отдельных средств. В связи с этим на повестку дня был поставлен вопрос комплексной автоматизации, в частности, сельскохозяйственных МТА.

Решение этого вопроса началось с попытки собрать на одном тракторе все имевшиеся к тому времени системы в их самостоятельном исполнении. Предполагалось, что при этом удастся исследовать взаимовлияние систем и определить конструктивные направления их объединения на общей аппаратной базе. Однако такая постановка оказалась неосуществимой ни с технической, ни с организационной сторон. Стала очевидной потребность в разработке концепции комплексной автоматизации, включающей как теоретические и методические предпосылки, так и разработку базовых конструктивных решений.

В теоретическом плане были рассмотрены особенности, возникающие при одновременном действии всех возможных систем автоматического управления. Было установлено, что в основном они вполне совместимы, за исключением сочетания системы регулирования загрузки двигателя и системы регулирования положения навесного устройства по тяговому усилию. Это сочетание при реальных динамических характеристиках каждого контура неизбежно приводило к возникновению недопустимых автоколебательных процессов с низкой частотой.

Дальнейший анализ показал, что единственным средством, обеспечивающим одновременную бесконфликтную работу этих систем, является переход к регулированию положения навесного устройства непосредственно по глубине (высоте) хода рабочих органов относительно опорной поверхности. Одновременно это устранило бы известное противоречие между стабильностью поддержания глубины обработки и эффективностью регулирования по снижению буксования, свойственное силовому регулированию. Можно было ожидать и расширения области применения такого регулирования, например, на навесные уборочные машины. При этом все эффекты от перераспре-

деления вертикальных усилий, проявляющиеся в форме догрузки ведущих колес, с храняются в полной мере.

Понимая, что реализация такого подхода тесно связана с наличием достаточ] недорогих, но точных средств измерения положения рабочих органов относителы опорной поверхности, нами был проведен анализ принципиальных возможносп создания таких средств. В результате был предложен на уровне изобретения спосс измерения, при котором без механического контакта с опорной поверхностью мож-быть обеспечена достаточная точность, а электрический сигнал на выходе соотве ствующего датчика имел бы вид колебаний с периодом, пропорциональным измеря мой величине, что наиболее удобно для сопряжения с электронной аппаратурой цифр' вой обработки информации. Это достигается тем, что на опорную поверхность напра: ляется излучение (электромагнитное или ультразвуковое), прерываемое отраженны сигналом, который, в свою очередь, прекращается при отсутствии излучения, благ< даря чему оно возобновляется до следующего прихода отраженного сигнала. В резул: тате устанавливается колебательный процесс с периодом, примерно равным четыре: кратному времени прохождения излучения в одну сторону - на измеряемое расстояни*

Было рассмотрено информационное содержание систем контроля и унравлени. Считая, что для каждой системы вполне определены все входные сигналы, необход! мые дам максимального приближения к оптимальным показателям, была установлег номенклатура сигналов (измеряемых параметров), используемых более чем в одной ci стеме. Очевидная нецелесообразность иметь для таких систем независимое измерен* этих параметров привела к необходимости организации информационного обмена и основе общей шины данных (к такому же выводу независимо от нас пришли специалщ ты ГДР в 1986 г.).

Учитывая, что уже в то время единственно возможной аппаратной базой kon плексной автоматизации являлось использование микропроцессорных средств, возни! ла задача архитектуры комплекса систем контроля и управления. Она решалась по нашим руководством в Сибирском отделении НАТИ. Было предложено строить aj хитектуру комплекса на базе унифицированных микропроцессорных модулей, кажды из которых благодаря соответствующим программному обеспечению и интерфейс выполняет свою собственную функцию. Такой же точно модуль функционирует в кг честве центрального процессора. При этом возможно применение и неунифицирова! ных модулей, если они имеют согласованный по единому протоколу обмен с обще шиной.

Был предложен протокол типа CAN (Computer Area Network), как наиболе удобный для данного случая. Как оказалось впоследствии, к аналогичному решенш пришли специалисты США, Германии и Великобритании, предложившие версии та

<ого протокола дли стандартизации в рамках ИСО, где создан подкомитет по сельско-созяйственной электронике.

Неодинаковые условия использования тракторов в хозяйствах различных почвен--ю-климатических зон и направлений (а в последнее время - и различных форм собственности) предопределили нецелесообразность единообразного комплектования системами. Поэтому нами были введены понятия штагного и заказного наборов функций контроля и управления. В связи с этим были предложены базовые конструктивные решения, позволяющие не только выпускать комплекты с различным набором функций, но и расширять этот набор непосредственно в эксплуатации приобретением и установкой дополнительных модулей.

Были рассмотрены вопросы эксплуатационных требований к аппаратным средствам комплекса. Особое внимание было уделено виброударным нагрузкам и климатическим условиям.

Для уточнения уровня виброударных нагрузок были проведены специальные исследования. Было установлено, что в тех местах кабин гусеничных и колесных тракторов, где целесообразно устанавливать электронную аппаратуру, уровень этих наг рузок существенно ниже уровня, принимавшегося до сих пор на основе стандартов на автотракторное электрооборудование,

По климатическим условиям эксплуатации определенные затруднения были вызваны действующими техническими требованиями к сельскохозяйственным тракторам, вытекающими из принятой у нас практики зимнего использования. Обеспечение климатического исполнения "У" с нижним пределом рабочей температуры воздуха -40 град.С, принципиально достигаемое, приводило к существенному удорожанию используемой элементной базы, которая к тому же производилась в ограниченных количествах. В связи с этим потребовался анализ функций контроля и управления с точки зрения температурных условий их выполнения. Было установлено, что подавляющее большинство этих функций реализуется или только при выполнении нолевых работ в теплое время года, или после достаточного прогрева двигателя и объема кабины. Для незначительной части функций, которые были названы "холодными" (например, предпусковой контроль двигателя или пусковая блокировка защиты по давлению масла), было предложено реалязовывать их специальными относительно недорогими аппаратными решениями.

Эти рекомендации позволяют при массовом освоении систем существенно понизить себестоимость производства. Это понижение ожидается как за счет более дешевой элементной базы, так и за счет существенного снижения трудоемкости и стоимости контрольных испытаний и уровня выбраковки изделий.

Важным принципиальным методическим результатом разработанных подход) стало существенное изменение самого характера работ по созданию средств автомат зации. Так как преимущественной элементной базой стала микропроцессорная техник стало возможным решать любые, в т.ч. совершенно новые задачи на базе ограниченн го числа типовых схемно-аппаратных решений, переводя основное внимание на пр граммное обеспечение и организацию соответствующего интерфейса, т.е. необход мого по составу и характеристикам набора входов и выходов. Возникла возможнос-ставить и решать ранее недоступные по сложности аппаратурной реализации зада! взаимодействия между подсистемами или организации новых подсистем.

Была рассмотрена возможность управления тяговыми режимами трактора в усл( виях возможности локальных снижений несущей способности почвы по горизонтал: ному сдвигу, характерных для ранневесенних работ и приводящих к недопустимы местным повреждениям почвы. Зная, что резкое в таких случаях увеличение буксов, ния (иной раз до полной остановки, т.е. до 100 %) может быть предотвращено умеш шением частоты вращения колес, было предложено к управлению МТУ по скорое ным и загрузочным режимам и к регулированию положения навесного устройства д< бавить дополнительный контур (эти предложения упомянуты в разделе 1.5). Он долже по обнаруженному росту градиента буксования по тяге снижать задаваемую теореп ческую скорость (частоту вращения колес), а в качестве экстренной меры предусма: ривать и временное частичное выглубление орудия. Такой контур был предложен рамках концепции экологически чистого трактора. Его работа может быть обеспечен только за счет дополнительного программирования указанных систем управлени (считая их существующими подсистемами комплекса).

Наше внимание привлекли вопросы контроля качества выполнения операци (работ). К тому времени производился целый ряд специализированных средств таког контроля, преимущественно для посевных и некоторых видов уборочных машин. Бь: до очевидно, что напрашивается универсальное решение, позволяющее в едином ког структиве и программном обеспечении работать с любыми прицепными или навес ными орудиями, оборудованными электронными средствами контроля и управление Совместно со специалистами ВИСХОМ (А.И.Викторов, Б.М.Ломакин) был проведе анализ существующих и перспективных средств с целью выработки требований подсистеме универсального технологического контроля. Эти требования, а в после дующем и техническое задание были согласованы в рамках многостороннего сотруд ничесгва стран-членов СЭВ. При этом удалось свести все разнообразие контролируе мых при работе агрегатов различного назначения -(посевные, уборочные и т.д.) пара метров к универсальному набору сообщений о нарушениях технологического процесса требующих немедленного вмешательства для восстановления нормального режима ра

5оты. Благодаря такому подходу обеспечена возможность контролировать с помощью одного и того же набора аппаратно-программных средств работу агрегата любого состава и назначения, унифицировав к тому же и оснащение машин-орудий пер-шчными преобразователями (датчиками).

По этим требованиям предусматривалось сведение всей разнообразной информа-щи о возможных отклонениях технологического процесса к набору типовых сообще-шй. Для стыковки с различными машинами они, кроме предусмотренных для них (атчиков и исполнительных механизмов, зачастую очень специфичных, должны были сомплектоваться преобразователями, обеспечивающими обмен информацией с аппаратурой на тракторе по единому протоколу. Было предложено в качестве таких преоб-эазователей использовать те же самые модули, которые составляют комплект борто-юй аппаратуры на тракторе.

Из числа потенциально возможных новых подсистем могут быть упомянуты две, збъединяемые целевой установкой на повышение безопасности использования тракторов, особенно колесных. Рассмотрена возможность существенного улучшения :игнализации об опасности опрокидывания, остающегося одной из весомых причин равматизма, в частности, летального. Существующая сигнализация по крену не обес-гечивает своевременного предупреждения, являясь по своей природе статической. Пе-зеход к более совершенной динамической сигнализации обещает получение упрекающего сигнала и снижение вероятности опрокидывания.

С этой целью А.К.Горохов под руководством автора разработал принципиально говый подход. За критерий оценки принято сравнение энергий - приращения потеци-шьной энергии, необходимого для прихода трактора в состояние неустойчивого рав-говесия, и кинетической энергии, которой он обладает в данный момент. Для опреде-[ения последней предложена система измерения на базе косопоставленных датчиков действительной скорости. Ситуация признается опасной, если сравнение энергий [редупреждает о возможном опрокидывании еще до наступления предельно допусти-юго крена.

Рассмотрена возможность существенного улучшения тормозных свойств трактор-[ых поездов, особенно с несколькими прицепами. Применение электропневмопри-ода тормозов прицепов с электронным управлением обещает сокращение тормозного ;ути и опасности складывания поезда при экстренном торможении. Разработаны ал-оритмы такого управления и схемы электропневмопривода (ответственный исполни-ель - Э.В.Саркисян), обеспечивающие опережающее торможение прицепов.

Особое внимание было обращено на организацию эффективного взаимодействия омплекса с человеком-оператором. В развитие положений, сформулированных ранее дя систем контроля, было предложено выдавать визуальную информацию в виде бло-

ков-страниц следующих видов: тест систем, предпусковой контроль, предрабоч контроль, нормальная работа, недопустимое отклонение. Были проработаны диза* концепции применения перспективных средств визуального предъявления инфори ции в виде точечно-матричных индикаторов (экранов, дисплеев). Экспериментальь проверка и подтверждение таких концепций были выполнены по нашим рекоменда! ям специалистами УУи гтй (г. Мартин, Чехословакия) с использованием электрош лучевого монитора "Филлипс" на тракторе "Зетор-Кристалл".

На основании выполненных работ составлен ряд нормативных документов. 1987 г. по поручению Бюро по машиностроению СМ СССР была организована меж) домственная группа под руководством д.т.н. С.Н.Хрущева с участием авто (представлявшего вместе с А.И.Викторовым Минсельхозмаш), которая разработа концепцию единого подхода к комплексной автоматизации мобильных объектов, в к торой были приняты наши предложения по характеристикам микропроцессорных кс троллеров как типовых аппаратных средств. Было утверждено единое техническ задание на их разработку и проведен конкурс проектов и образцов, в ходе которого г тор являлся ведущим экспертом от Минавтосельхозмаша по тракторам и сельскох зяйственным машинам. Несколько позже было утверждено разработанное Инжене ным центром НАТИ "Сельхозмашавтоматика" (в последствии - НИ "Сельхозмашавтоматика") техническое задание на комплекс аппаратных и програм ныых средств, получивший название единого бортового компьютера. В 1990 г. специ листами действовавшего в то время совместного с Болгарией предприят: "Агроавтоматика" был разработан проект "Деметра" аналогичного содержания и т начения.

В настоящее время разработки в этом направлении продолжаются в НПО (ны: АО) "Сельхозмашавтоматика".

Необходимо отметить, что в зарубежном тракторостроении, несмотря на бол шое опережение в развитии электронного оборудования тракторов, пока не проема риваются сколько-нибудь заметные тенденции комплексирования систем различно] назначения. До последнего времени (включая тракторы, показанные в Париже ве ной 1993 г. на международном салоне СИМА-93) на тракторах устанавливаются о дельные, практически не взаимодействующие между собой системы (если не счита-распространяющееся использование информации о буксовании при регулировании п ложения навесного устройства), однако доля моделей, оснащаемых этими системам довольно велика (рис. 10). Учитывая, что никаких конструктивно-технологичесы ограничений сегодня больше не существует, такую ситуацию можно объяснить тол ко отсутствием теоретического и методического задела, аналогичного описаннок выше.

Рис.10. Процент числа моделей, оснащенных средствами автоматизации ( I- системы онтроля, II - регуляторы навесных систем, III - мониторы с радарными датчиками, IV -истемы управления коробками передач, V - системы управления приводом переднего едущего моста, VI - моторная автоматика) по группам мощностей двигателя.

Потенциальное развитие этих положений рассмотрено с точки зрения возмож-юсти и целесообразности создания трактора-робота для выполнения сельскохозяй-твенных полевых работ без человека на борту. Показано, что единственной техпи-[еской трудностью, не преодоленной и до настоящего времени, является отсутствие одежной системы автоматического вождения с полной программой выполнения ра-гачих ходов и разворотов, хотя проведенные в свое время разработки по радио-[авигационным средствам определения текущих координат МТА и сулят некоторые (адевды в этом вопросе. Главное же заключается в том, что применение таких тр экеров потребует радикального изменения самой организации работ по всем состав-лющим технологического процесса.

1.7. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЕДЕНИЮ 'АЗРАБОТОК.

Теория и практика разработки средств автоматического контроля и управления [акопили достаточно много проверенных рекомендаций. Однако они, как правило, гмеюг достаточно общий вид. Поэтому для тракторов и машинно-тракторных агрега-ов результаты наших работ позволяют конкретизировать и систематизировать общие юкомендации как для развития уже определившихся направлений, так и для решения гавых задач, которые неизбежно появятся как следствие принципиально новых реше-

ний в тракторостроении - новые виды двигателей, трансмиссий, ходовых систем других узлов и механизмов.

По существу эти рекомендации составляют единый систематизированный кс плекс методов анализа и синтеза различных систем. Он основан на едином подход средства автоматического контроля и управления рассматриваются как инструме повышения потребительских свойств трактора

Напомнив, что целесообразность автоматизации возникает там, где обнаруж вается информационный дискомфорт, каждая постановка должна изначально просмг риваться именно с точки зрения ликвидации этого дискомфорта. С этих позиций должны в каждом конкретном случае предлагаться целевые функции, сформулир ванные по схеме "механизм (функция) контроля или управления - информационн обеспечение этой функции и его согласованность с возможностями человека-операто; - возможности улучшения потребительских (эксплуатационных) свойств трактора п] повышении качества выполнения этой функции - возможности существующих ш перспективных аппаратных средств для такого повышения". Как видно, исходив пунктом для формулирования задачи и ее целевой функции являются конструктива особенности того или иного типа трактора, его назначение и выявленные информац онные дискомфорта. Что касается последних, то следует иметь в виду, что они мог; проявляться как с самого начала работы, так и после некоторого утомления человек оператора в ее ходе.

Не останавливаясь на возможных иллюстрациях этих положений, особенно ярю в задачах автоматизации вождения, такая схема приводит к совершенно определеши му принципиальному положению - целевая функция в каждом случае должна одиозна' но указывать на улучшение эксплуатационно-технологических показателей трактор (а именно они и являются его потребительскими свойствами) по сравнению с иcxo^ ными значениями. При этом, учитывая разнообразность использования тракгоро; особенно в сельскохозяйственном производстве, должна быть очерчена область рабе (операций), в которой может использоваться рассматриваемое средство автоматизацш Обязательной является прогнозная оценка влияния этого средства на такие факторь как производительность, расход ГСМ и других ресурсов, качество выполнения р; бот, комфорт и безопасность и воздействие на окружающую среду. Сформулированна таким образом целевая функция сразу же предопределяет необходимую системность обеспечивает снижение риска экономической нецелесообразности.

В практике создания средств автоматического управления целевая функци обычно прямо или через относительно несложные выкладки выводит на формулировк критериев оптимизации характеристик создаваемых систем. Наши задачи в это) смысле не составляют исключений, если не считать специфической, но важной осс

бенности. Напомнив, что выражения критериев представляют собой, как правило, формализованный компромисс в виде некоторой функции, ' для которой ищется экстремальное значение внутри области наложенных ограничений, необходимо в каждом случае указывать, каким образом на значение этой функции влияют конкретные параметры трактора как объекта управления и самой системы управления. При этом следует иметь в виду, что принимавшиеся обычно приемы оптимизации по быстродействию, энергозатратам управления и т.п. мало пригодны для систем управления тракторами, если в каждом конкретном случае не удается довести оптимизируемые показатели до прямых эксплуатационных оценок.

'Гак, для систем автоматического вождения самым простым случаем с этой точки зрения является вождение по рядкам растений при междурядной обработке. Здесь достаточно стремиться к минимизации ошибки слежения при наложенных ограничениях (в последнее время А.В.Черницер и А.Я.Калинов развили эту задачу на все случаи управления, включая ручное, и показали вариативность выбора из трех целей - минимум ошибки, максимум скорости или минимум интенсивности воздействий на рулевое управление).

В случае вождения по следу предыдущего прохода, как показано выше, соответствующие зависимости гораздо сложнее. Для системы управления загрузкой критерием должен являться максимум средней реализованной мощности, т.е. максимум производительности.

Гораздо сложнее оптимизация информационно-советующих систем. Выше было показано, что предлагаемая ими информация ни в коем случае не должна быть избыточной и навязчивой. Однако в оценке любой такой системы с этой точки зрения невозможно уйти от неизбежной субъективности, вытекающей из различий квалификации, мотивации и психо-физического состояния оценивающего пользователя. Поэтому самым разумным здесь является обеспечение некоторой гибкости за счет возможной поднастройки параметров системы самим пользователем по его желанию в каждый момент времени. Но для этого, по-видимому, потребуется переход к новому качеству аппаратно-программных средств, позволяющих работать в режиме прямого диалога аналогично персональному компьютеру. Пока же такие системы следует ориентировать на типового среднестатистического нользовтеля.

На этой основе может быть сформулирован обобщенный метод анализа систем. Он заключается в соблюдении последовательности действий по схеме "функция контроля или управления - потребительские свойства трактора - информационный дискомфорт - способы его коррекции или полной ликвидации - возможные конструктивные решения - технические требования к системе".

Математический аппарат оптимизации в задачах автоматического управление тракторами должен быть ориентирован на использование общепринятых описаний динамики процессов, сопровождающих работу тракторов в различных условиях. Практика показала, что такая постановка вполне осуществима даже в таком относительно сложном случае, как автоматическое вождение, где от терминов и зависимостей, принятых в теории автоматического управления, удалось перейти к выражениям и моделям, содержащим в качестве параметров конкретные конструктивные показатели. Таким образом обеспечивается естественный переход от принятых критериальных оценок к рекомендуемым значениям конструктивных или настроечных параметров системы управления.

Применительно к методам синтеза систем, особенно управляющих, для которые существует хорошо развитая теория, в наших случаях общая особенность сводится к тому, что конечной целью синтеза должно являться реальное улучшение тех потребительских свойств, на которые мы хотим повлиять путем снижения или ликвидации информационного дискомфорта.

Оптимизация систем на этапах проектирования предполагает наличие достоверных знаний физического смысла процесса управления и количественных зависимостей между всеми значимыми факторами. На этой базе составляется расчетная модель процесса для синтеза системы управления в общем виде. Однако, как правило, особенно при постановке принципиально новых задач, уверенность в достаточной полноте исходной информации невозможна. Поэтому важным подготовительным этапом следует считать поиск имеющейся информации и оценку ее полноты, в т.ч. возможности экстраполяции данных, известных для каких-то конкретных условий, на более широкие области этих условий.

Подтвердившаяся неполнота исходной информации ставит разработчика перед выбором - либо вести разработку на основе недостаточной информации с риском затратить больше времени и средств на доводку создаваемой системы в ходе испытаний либо провести специальные экспериментальные исследования для получения необходи мой информации также с определенными затратами. Во втором случае затраты могут оказаться не меньше, особенно при необходимости применения специальных средсп измерения, как показали наши работы по системам автоматического вождения. Выбо{ разработчика диктуется сравнением с учетом всех обстоятельств.

В начале наших работ доводка систем управления зачастую требовала корректи ровки конструктивных решений вплоть до проектирования и изготовления изделий за ново. Поэтому роль специальных исследований для получения исходной информации которая позволила бы сократить длительность и стоимость доводки систем, была до вольно важной. Перенос центра тяжести со схемно-аппаратных решений на программ

ое обеспечение, характерный для современных разработок на базе микропроцессор-ой техники, позволяет несколько понизить значимость такой информации, особенно ри наличии у разработчика средств, позволяющих корректировать программное беспечение непосредственно в условиях доводочных испытаний.

Тем не менее, здесь, наверное, не имеет смысла пытаться дать какие-то общие ре-омендации - все зависит от конкретных условий задачи. Непосредственный синтез истемы управления как по структуре, так и по параметрам, в наших случаях теорети-еской специфики не имеет, однако обладает некоторыми обобщенными методически-:и особенностями. На первый план выходят вопросы аппаратной реализуемости воз-южных решений, особенно по таким аспектам, как датчики и исполнительные меха-измы. К сожалению, сложившаяся практика разработок систем автоматического правления тракторами характерна решением вопросов "вслед", • когда приходится читаться со сложившимися конструкциями и технологиями.

Принимаемые в таких условиях решения часто являются паллиативами и содержат езервы значительного улучшения. Единственно возможным средством получения птимальных решений является учет требований автоматизации на самых ранних стадах создания новой тракторной техники, например, на стадии технического зада-ия. В связи с этим нами было предложено понятие приспособленности тракторов к втоматизации. Оно включает довольно широкий круг вопросов, из которых ключе-ым является уверенность, что только при совместном и одновременном проектирова-ии трактора, его механизмов и систем автоматического управления может быть до-гигнута максимальная эффективность (в современной технике такие представления формились в новейшее направление, получившее название мехатроники).

Понимая, что в условиях реального применения могут существенно варьировать >акторы, влияющие не только на эффективность, но и на саму работоспособность си-гем управления, важную роль приходится отводить экспериментальной проверке ринимаемых решений на моделях, макетах и образцах различного уровня. При этом еобходимо понимание предельных возможностей того или иного эксперимента. Наш пыт рекомендует руководствоваться схемой, ориентированной на преимущественное рименение микропроцессорных средств.

Математические модели систем управления должны использоваться при первич-ой разработке алгоритмов и программного обеспечения. На этом этапе проверяются олнота алгоритма, отсутствие зацикливаний, достаточность объемов оперативной и олговременной памяти. Уточняются требования по быстродействию и фильтрации змерений. Макеты систем управления подвергаются испытаниям непосредственно на раюгорах. Проверяются конструктивные решения по стыковке с узлами и механизма-

ми трактора. Оцениваются показатели работы систем и при необходимости дорабат! вается программное обеспечение.

Образцы различного уровня подвергаются испытаниям в соответствии с прин тым порядком. Окончательно оцениваются достигаемые эксплуатационн< технологические показатели и надежность самой системы и трактора с ней. Спец) фичным здесь является то, что эти показатели необходимо получать в сравнении с б, зовой моделью трактора, не имеющей испытываемой системы и управляемой вручнуь Достоверные данные могут быть получены только с учетом того, что принято назь вать человеческим фактором и в наших случаях сводится к рациональному выбор условий проведения сравнительных контрольных смен или опытов. Методика проВ' дения таких сравнительных испытаний была разработана нами (ответственный испо.) нитель Г.М.Седов) и предусматривала типовой план выбора субъектов по стажу р; боты, квалификации и физическому состоянию и чередования условий работы.

Показанные методические особенности относятся в основном к научне исследовательской составляющей разработок в целом. Опытно-конструкторская част строится по общепринятым стандартизованным схемам без особой специфики. Едш ственное, что заслуживает упоминания, связано с отсутствием резкого раздела межд этими частями. Можно даже утверждать, что при разработке средств автоматизаци тракторов почти до самого начала производства имеется необходимость в научно сопровождении, которое в каждом конкретном случае позволяет квалифицированн решать непредвиденные заранее вопросы (так, алгоритм и программное обеспеч! ние УИС уточнялись даже при выпуске первой партии).

Единственный методический вопрос конструктивного характера, заслужь вающий упоминания, связан с надежностью электронной аппаратуры систем: В наше; случае не шла речь о каких-то принципиально новых сведениях в области, имеюще давно и подробно разработанные теорию и практику. Исходя из известных положени и учитывая особенности эксплуатации изделий на тракторах, нами были показан] основные направления обеспечения достаточной надежности. Считая основной потег циальной причиной отказов совокупное действие виброударных нагрузок, знакоперс менных температурных деформаций и импульсов перенапряжения по цепям электриче ского питания, были разработаны и реализованы при освоении САЗД основны рекомендации по конструктиву аппаратуры, в частности, по предельно допустимы! размерам печатных плат и их междуопорных пролетов, а также по применению фил! тров в цепях питания.

2. МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ АВТОМА ТИЗАЦИИ ТРАКТОРОВ.

В предыдущих разделах показаны результаты работ по целому ряду систем кон-роля и управления. Предполагая, что их перечень не является исчерпывающим и что >азвитие тракторной техники поставит на повестку дня новые задачи автоматизации, южно предложить вытекающие из нашего опыта рекомендации по их постановке. Их ыполнение существенно облегчает решение вопросов, возникающих на различных тапах.

Первоочередным признаком правильной постановки задачи является точное »пределение объекта автоматизации - трактора - по типу, тяговому классу, семейству ши даже отдельной модели (не исключается указание в качестве объекта и отдельных «ханизмов и узлов - двигатель, топливный насос и т.п.). Должна быть также сформирована цель, вытекающая из конструктивных особенностей выбранного объекта и гредполагаемого или установленного информационного дискомфорта. При наличии аких признаков задача принимает конкретный характер и может решаться.

Если анализ показывает, что ожидаемое улучшение одних потребительских зойств возможно только за счет некоторого ухудшения других, следует принять во ¡нимание приоритеты. Их порядок представляется следующим: безопасность персонала экологическая безопасность - обобщенные затраты производства - прочие факторы.

Очень важным является прогноз характера потенциального пользователя к мо-«енту готовности предполагаемого средства или системы для применения. Особенно ¡ажным это стало в последнее время с появлением различных форм собственности и юдения хозяйства. Здесь предполагается некоторая корреляция с объектом автомати-ации - трактором, если считать, что фермерские хозяйства будут пользоваться пре-гмущественно тракторами относительно невысокой мощности, а более мощные трак-•оры будут приобретаться и использоваться в крупных хозяйствах с широким применением наемного труда. Характер потенциального пользователя должен оценивать-я но уровню образования и профессиональной подготовки и по виду стимулов,-шредедяющих его отношение к работе. Это позволит точно ориентировать созда-¡аемое средство на максимальный эффект от его использования, что обеспечит необходимый спрос.

Не менее важным является определение требуемого уровня задаваемых показате-[ей качества. Чрезмерное завышение осложнит создание и повысит стоимость разраба-ываемого средства. Как правило, достаточно ориентировать эти показатели на уро-1ень, свойственный средней квалификации пользователя при долговременной работе.

В современных условиях важно правильно определить стратегию выпуска созда-|аемого изделия на рынок. Здесь имеются дре крайности - либо создание изделия увя-

зано с постановкой на производство новой тракторной техники, либо это издет предлагается для дооснащения машин, уже находящихся в эксплуатации (концеш. "Ретрофит" по определению специалистов английской фирмы RDS). Разумеется, в< можны и смешанные варианты, однако в любом случае необходимо принимать внимание эти обстоятельства, влияющие на выбор конструктивно-технологическ решений. В частности, при отработке конструкции САЗД принятые решения обей чили обе возможности оборудования машин - и на конвейере, и в эксплуатации.

Из опыта последнего времени вытекают и следующие соображения. Постанов каждой задачи помимо чисто технических вопросов, рассмотренных выше, долж сопровождаться подготовкой предварительного бизнес-плана. Под ним понимает оценка сроков разработки и подготовки производства, необходимых финансовых и h териальных ресурсов и источников их получения и предполагаемой себестоимос изделия к моменту начала производства. Эти сведения должны сопоставляться с j зуньтатами маркетинговой проработки по возможным рынкам сбыта и их емкости по определению верхнего уровня конкурентноспособной цены. В результате долж) быть получены сведения, подтверждающие целесообразность и окупаемость инвест ций. Хотя такие вопросы и были до сих пор и непривычными, и кажущимися недои точно уместными для исследователей, без должного внимания к ним не удастся реаг зовать никакую, даже самую передовую идею, особенно в области автоматизации трг торов.

Внимательное рассмотрение перечисленных выше вопросов позволяет прист пить к заключительному этапу постановки - к составлению исходных требований. П этом следует считать их необходимыми не для формального согласования, а для сис: матизации своих представлений по существу решаемой задачи. Фактически отработ исходных требований, которые в дальнейшем вполне могут быть подвергнуты рад кальному пересмотру, является началом разработки.

Произошедшие в последнее время изменения в условиях отечественной экономи заставили предусмотреть наличие всевозможных ограничений как в сфере производст тракторной техники, так и сфере ее потребления. С их учетом .для решения первоо< редных задач автоматизации тракторов предложена концепция, заключающаяся следующих положениях.'.

1. Пользователь (владелец) тракторной техники должен иметь возможность i ограниченного выбора по ее оснащению средствами автоматизации, исходя из сс ответных представлений о целесообразности применения того или иного среден опирающихся однако на полную информированность во всех влияющих на его выб' вопросах. Обеспечение такой информированности является обязанностью произвол теля или продавца тракторной техники.

2. Наряду с приоритетом, отдаваемым пользователю, производитель обязан про-влять определенную настойчивость в предложении, для чего целесообразно, во-ервых, какие-либо средства автоматизации сделать штатным оборудованием трак-ора, а во-вторых, устанавливать на продаваемые тракторы и такие, которые объявле-ы оборудованием заказным, не боясь предлагать их покупателю на пробу.

3. Учитывая, что даже в самых благоприятных обстоятельствах ни государство, и изготовители тракторов ire смогут развернуть НИОКР и подготовку средств авго-[атизации сразу по всем возможным направлениям, целесообразно указать на перво-чередные, приоритетные направления разработки и освоения этих средств. Приняв за ■снову выбора опыт зарубежного тракторостроения и технический уровень выпус-аемых и подготавливаемых к производству моделей тракторов, к первоочередным ледует отнести системы контроля и аварийной зашиты (их, кстати, и стоит сделать зтатным оборудованием новых моделей тракторов), системы регулирования поло-сения навесных устройств, системы эксплуатационно-технологического мониторинга с дтчиками действительной скорости и системы управления включением-выключением ривода переднего ведущего моста. Для развития задела необходимо продолжить ис-ледования по системам управления моторно-трансмиссионными установками, ключая электронное регулирование тогшивоподачи в двигателе.

4. Нижним пределом показателей трактора, для которого должны создаваться редства автоматизации, следует считать тяговый класс 1,4 и мощность двигателя 60 .е., допуская возможность применения некоторых средств и на менее мощных тракто->ах.

5. Основным аппаратным средством для создания предложенного набора средств . втоматизации должна стать типизированная конструкция микропроцессорного кон-роллера с шинным обменом по согласованному протоколу.

3.ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ ТРАКТОРОВ.

Не менее важным, чем правильная постановка, для решения задач автоматизации ракторов является организация необходимого обеспечения. Наш опыт показывает, то недооценка этих вопросов, если не приводит к полной неудаче, то существенно за-рудняет достижение поставленных целей. В данном случае под обеспечением пони-[ается комплекс мер, выходящих за рамки обычных научно-исследовательских и опыт-о-конструкторских работ по созданию конкретного изделия. Скорее это меры, при-ванные поддержать направление в целом.

Как уже указывалось, в ходе наших работ мы неоднократно привлекали к с трудничеству специалистов по инженерной психологии и художественному констру рованию. Постепенно мы пришли к совместному выводу о необходимости постоянн го контакта в форме целостной концепции эргономического обеспечения разработк производства и эксплуатации средств автоматизации тракторов.

Смысл эргономического обеспечения заключается в учете особенностей чело£ ческого фактора при решении всех возникающих вопросов. При этом принимают во внимание, как уже упоминалось, особенности именно того контингента, мз кот рого будут возникать непосредственные пользователи создаваемых средств. На этап разработки эти особенности учитываются в форме профессиограмм, на основе кот рых проектируется и анализируется операторская деятельность человека-оператора : автоматизированном тракторе. На этапах подготовки производства и эксплуатащ эти особенности учитываются при подготовке описаний и инструкций, а также при' о учении будущих пользователей. Ситуация последних лет добавляет к этим этапам еще опережающую рекламу создаваемых средств, которая также должна быть точно адр сована.

В системотехническом плане эргономическое обеспечение позволяет точно а брать характеристики компонентов систем, посредством которых осуществляется : взаимодействие с человеком-оператором. Среди них цифровые и сигнальные индик торы, звуковые сигналы и органы управления.

Можно отметить, что при всей распространенности на зарубежных трактор различных средств автоматизации высокого технического уровня, на многих из н: могут быть указаны признаки недостаточной отработки с этой точки зрения. П видимому, зарубежные разработчики не обладают необходимым аппаратом эргоном ческого обеспечения или по меньшей мере недооценивают его роль.

Вопросы аппаратурного обеспечения в свое время имели очень важную роль разработках средств автоматизации для тракторов. В условиях ограниченного досту: к прогрессивным направлениям отечественной электроники приходилось ограничива разработчиков номенклатурой комплектующих изделий, по которой можно было ож дать меньших затруднений с приобретением. Поэтому составлялись ограничительш перечни, проекты аппаратурно-элементных программ и т.п. Приходилось принимать навязанные в какой-то степени решения (так, в разработках под руководстве Л.И.Гром-Мазничевского никак не удавалось заставить сотрудничавшее с ним Л "Кристалл" перейти на применение однокристалльной микро-ЭВМ взамен уст ревшего микропроцессорного комплекта серии 580).

В последнее время практически все необходимые компоненты имеются на св бодном рынке. В связи с этим аппаратурное обеспечение рассматривается в форме j

>мендаций по выбору таких комплектующих изделий и конструктивно-хнологических решений, которые гарантируют минимальный риск невыполнения :йствующих требований к средствам автоматизации тракторов. В частности, по ¡мплектующим изделиям может быть указано на 8- и 16-разрядные одпокристалль-ле микро-ЭВМ в соответствующем по климатическим условиям исполнении, морозо-ойкие жидкокристаллические индикаторы и т.д.

Производственное обеспечение создания средств автоматизации тракторов в ны-щших условиях обещает стать более легким. Конверсия предприятий, ранее премуще-венно загруженных оборонными заказами, высвободила производственные мощ-)сти для производства средств автоматизации тракторов в объемах, полностью соот-тствующих потенциальному спросу.

Сам же вопрос производственного обеспечения возник на базе понимания того, ■о наиболее быстрые разработка и освоение производства возможны тогда, когда >тенциальный производитель определен на самых ранних этапах опытно-шструкторских работ и участвует в них. Дело в том, что при всей однотипности хнологий производства таких важных частей систем, как электронные аппараты, .ждое предприятие имело свои особенности. Учет этих особенностей уже при разра->тке устранял потребность в последующей адаптации разработанных изделий к се-шному производству.

Экспериментальное обеспечение разработок, значение которого, по-видимому, разъяснении не нуждается, состояло в создании условий для достоверной апробации шнимаемых конструктивных и параметрических решений. Была организована си-ема экспериментального обеспечения, действовавшая по единой методологии.

Подразделения-разработчики (Сибирское отделение, СКБ с опытным производ-вом "Сельхозмашавтоматика" в Павловском Посаде) были оснащены лабораторно-ендовым оборудованием для исследований и испытаний составных частей систем, составе этого оборудования были достаточно современные средства, например, для броклиматических испытаний. В качестве экспериментальной базы для испытаний стем на тракторах специализировался тогдашний Одесский филиал. Аналогичная ¡ганизация экспериментального обеспечения предусматривалась и развивалась в оминавшемся совместном с Болгарией предприятии "Агроавтоматика".

Важной составной частью обеспечения являются вопросы организации сбыта и рвиса средств автоматизации. Первое не нуждается в особых пояснениях и в осиов->м определяется упомянутой выше стратегией выхода на рынок. В случае примене-я стратегии "Ретрофит" возникает вопрос организации сбытовой дилерской сети и ответствующей рекламы, что и было сделано нами по УИС совместно с фирмой лровец-сервис", хотя пока еще и не принесло ожидавшихся результатов.

Более сложным является вопрос сервиса. Средства автоматизации и их электр' ная аппаратура еще не стали абсолютно надежными, и в какой-то мере пугают : тенциального потребителя (в том числе производителей машин, для которых предн начены эти средства) трудностями устранения отказов, привычными для быто; электронной техники, используемой в том числе в сельской местности со слаборазвит сетью сервисных служб. Понимая, что без гарантий поддержания работоспособно! этих средств в эксплуатации их освоение практически неосуществимо, нами была ■ чата проработка концепции сервиса по номенклатуре изделий "Агроавтоматики". О бое внимание было обращено на создание технических средств сервиса, где были р работаны принципы экспресс-диагностики и техническое задание на универсальн экспресс-тестер.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Автоматизация контроля и управления является эффективным средств повышения основных потребительских свойств тракторов во всех отраслях, испо: зующих машинно-тракторные агрегаты, и при любых экономических формах веде} производства. Имеющийся научно-технический задел позволяет в достаточно корот! сроки завершить разработки и освоить широкую номенклатуру средств автомати ции современного технического уровня.

1. Предложенные в данной работе методы анализа и синтеза систем автомати ского контроля и управления, обобщенные на основе опыта исследований и раз] боток по целому ряду направлений автоматизации, позволяют добиться максима ной эффективности работ по повышению практически всех потребительских свой тракторов. При этом анализ следует вести по схеме "функция контроля или управ, ния - потребительские свойства трактора - информационный дискомфорт - способы < коррекции или полной ликвидации - возможные конструктивные решения - техни ские требования к системе".

Особенности синтеза систем проявляются в учете специфических свойств трак-ров по массовости выпуска, конструктивно-технологическим признакам и услови эксплуатации, что предопределяет выбор рекомендуемых конструктивных решен Кроме того, при синтезе следует считаться с неполнотой исходной информации, 1 заставляет предусматривать резервы на доводку, а также уточнение достигаемых : фектов для технико-экономическких обоснований целесообразности промышленнс освоения.

Не менее важными предлагается считать вопросы правильной постановки задач >здания и освоения средств автоматизации по выбору трактора - объекта автоматй-1ции, по оценке потенциального пользователя и по подготовке бизнес-плана работ по ззработке и подготовке производства.

3. Системы автоматического вождения агрегатов обеспечивают облегчение труда эактористов, повышение качества выполнения операций, а в некоторых случаях при-енения и повышение производительности.

Системы, действующие по принципу копирования следа предыдущего прохода, злжны проектироваться во избежание прогрессирующего искривления с учетом формулированных в настоящей работе требований к их динамическим характеристи-ш. Выполнение таких требований вполне реально и подтверждено опытом проведен-лх разработок.

При математическом моделировании систем для гусеничных тракторов на стади-: анализа и синтеза систем рекомендуется использовать предложенное описание трактов как объектов, включающее статическую характеристику механизма поворота 13ностно-тягового типа или динамику образования поворачивающего момента в мелизме разностно-скоростного типа и дифференциальное уравнение неустано-[вшегося поворота.

4. Системы автоматического управления режимами моторно-трансмиссионной тановки являются мощным средством повышения производительности за счет более >лного использовния мощности двигателя и снижения расхода топлива за счет свое->еменного перехода на более экономичные режимы.

При создании таких систем следует учитывать производственный разброс ре-ляторных характеристик двигателей с существующими регуляторами и изменение их характеристик в эксплуатации, для чего должна применяться самонастройка по >едложенным в работе методам.

Для анализа и синтеза систем применительно к тракторам со ступенчатыми ансмиссиями целесообразно использовать способы на основе предложенной кру-лыгой характеристики моторно-трансмиссионной установки, в частности, номо-амму для выбора режимов.

Проведенные расчеты подтверждают, что регулирование загрузочных режимов, раничиватохцее диапазон действующих на двигатель нагрузок, обещает снизить темп э износа. В то же время учащенное переключение передач может оказаться причи-й снижения ресурса трансмиссии, что заставляет более ответственно выбирать ре-¡мы регулирования, особенно по частотной фильтрации сигнала, несущего инфор-цию о действующей на двигатель нагрузке, а также по значениям нагрузок, вызы-ющих переключение передач.

Автоматическое управление включением муфты сцепления в режиме трогания разгона трактора может обеспечить благоприятное сточки зрения повышения ресур самой муфты и трансмиссии в целом протекание этого режима при различных вид нагрузок, полностью устраняя при этом влияние возможных ошибок водителя. НаиЕ лее перспективными можно считать законы управления с обратной связью по чаете вращения вала двигателя или по ее квадрату.

5. При создании систем автоматического контроля следует выбирать номеню туру параметров с преимущественным включением в нее тех, которые являются шг тральными. Это определение означает, что выход такого параметра за пределы ,г пустимых значений может являться следствием многих возможных отклонений нормальной работы. Благодаря такому подходу может быть обеспечен наиболее пс ный контроль технического состояния трактора при минимальном числе контрох руемых параметров.

Наиболее рациональным приемом представления визуальной информации возникновении и характере отклонений является использование мнемосхемы трактор, двухеимвольным сообщением - о месте возникновения и виде отклонения.

Аварийная защита двигателя по перегреву и падению давления в системе см; ки обеспечивает сокращение числа двигателей, поступающих в ремонт до выработ ресурса, на 30 - 35 % от общего ремонтного фонда, в связи с чем эта функция додж рассматриваться как достаточно эффективная для реализации в составе системы авт матического контроля или на основе самостоятельного аппаратного решения. П этом принудительную остановку дизельного двигателя с обычной топливной аппара: рой наиболее целесообразно осуществлять прекращением подачи топлива с помощ) электромагнитного клапана. Алгоритм функционирования аварийной защиты долж включать пусковую блокировку срабатывания по падению давления масла с автоь ' тическим деблокированием после запуска, факт которого может фиксироваться частоте вращения вала двигателя.

6. Информационно-советующие системы могут занимать промежуточное поз жение между информационными и управляющимим системами, являясь по сравненш последними более простыми по аппаратному и программному обеспечению. Одна эффективное использование информационно-советующих систем возможно только п наличии заинтересованного пользователя, не пренебрегающего получаемыми ре! мендациями.

Область применения таких систем ограничена в основном выбором передачи трансмиссии и скоростного режима двигателя. При отработке системы особого В1 мания требует выбор динамики предъявления рекомендаций, которые не должны бь чрезмерно частыми и навязчивыми, но и не должны заметно запаздывать при резь

зменениях условий работы. Это может быть обеспечено выбором параметров филь-рации входных сигналов или соответствующей процедурой выработки рекомендаций с точнением в ходе натурных испытаний.

Использование в таких системах микропроцессорной аппаратуры позволяет реа-изовать ряд дополнительных полезных функций контроля и диагностики, что повы-1ает эффективность применения соответствующей аппаратуры.

7. Измерение действительной скорости должно производиться на сельскохозяй-гвенных тракторах, начиная со скорости 3 км/час, с погрешностью не выше 2% и ременем усреднения 2 сек. Получаемая при этом с помощью предложенных и прове-шных приемов обработки информация позволяет получать за счет более рациональ-ых режимов работы повышение производительности и снижение погектарного рас-эда топлива, а также вести учет и планирование работы агрегата.

В условиях сельскохозяйственного производства России и стран СНГ для такого шерения вполне пригодны радарные допплеровские датчики с частотой излучения ),525 ГГц, конструкция которых отработана под нашим руководством до готовности серийному производству. Ожидаемая при этом стоимость аппаратного оснащения >актора достаточно быстро окупается благодаря указанным выше и подтвержденным эфектам.

Для мощных промышленных тракторов с землеройным и погрузочным обору->ванием могут быть использованы предложенные алгоритмы автоматического управляя с использованием измерений действительной скорости. Однако нижний предел мерения должен быть не выше 0,2 км/час, а время усреднения не более 0,2 сек. Такие жазатели могут быть получены при использовании датчиков с более высокой частой излучения, например, порядка 37,5 ГГц,

8. Комплексная автоматизация обеспечит наибольшую эффективность повыше-я потребительских свойств тракторов. Она должна основываться на базе унифици-ванных микропроцессорных модулей с обменом информацией по общей шине с проколом типа CAN. При этом бесконфликтность совместного действия систем управле-я обеспечивается заменой силового регулирования положения навесного уст-йства на высотное с измерением положения рабочих органов орудия относительно орной поверхности.

Функции контроля и управления целесообразно разделить на штатные и заказе, реализуя последние по заказу потребителя установкой соответствующих дополни-1ьных модулей.

С целью использования относительно недорогой элементной базы, не требующей эогоспособности при низких температурах, целесообразно выделение "холодных" нкций для реализации специальными аппаратными решениями.

При создании и освоении аппаратных средств комплексной автоматизации мог быть реализованы многие новые функции контроля и управления с существенно пол< ными эффектами. В частности, на такой базе могут быть реализованы управление ч говыми режимами для снижения повреждений почвы избыточным буксование управление элекзропневмоприводом тормозов прицепа для улучшения тормозш свойств тракторного поезда, универсальный технологический контроль для повьш ния качества выполнения ответственных операций и динамическая сигнализация оп; ности опрокидывания, снижающая его вероятность.

9. Создание и освоение производства средств автоматизации для выпускаем, тракторов зачастую связано с компромиссами и паллиативами, вызванными трт ностью внесения изменений в конструкцию и технологию массового произведет: Поэтому наибольшего эффекта следует ожидать при учете возможностей таких среде в ходе разработки новых моделей тракторов, для чего предложено использовать I нятие о приспособленности трактора к автоматизации.

10.Успешное создание и освоение средств автоматизации в организационном л; не требует уделять внимание вопросам обеспечения как комплекса мер, выходящих принятые обычно рамки НИОКР. При этом рекомендуется предусматривать следу щие виды обеспечения:

- эргономическое, учитывающее особенности человеческого фактора для н; лучшего взаимодействия человека-оператора со средствами автоматизации;

- аппаратурное, учитывающее наличие и развитие необходимых техничеи средств для использования при создании средств автоматизации;

- производственное, состоящее в определении производителя создаваем средств уже на этапах разработки для учета его технологических особенностей при I боре аппаратных решений;

- экспериментальное, учитывающее необходимость апробации принимаемых ю струкгивных решений;

- сервисно-сбытовое, обеспечивающее доступ освоенных средств автоматизаци потребителю и поддержание их работоспособности в эксплуатации.

11.На ближайшую перспективу предлагается принять разработанную нами к цепцию создания и освоения первоочередной номенклатуры средств автоматизац Она учитывает как передовой зарубежный опыт, так и особенности новых моде, тракторов, намеченных к созданию и освоению на предприятиях Российской Феде ции.

Основные результаты диссертации изложены в работах: _я) Книги, брошюры.

I."Теория автоматических систем трактора" (соавтор Ю.А.Ганькин) С.-Пб. Госу-эственный Аграрный Университет 1995 г.

2." Материалы для обоснования перечня первоочередных задач автоматизации шторов и с.х. машин к отраслевой перспективной комплексной программе автома-1ации с.х. техники" М., НАТИ-ВИСХОМ 1980 г. (соавторы Ю.К.Клейн и др.).

3." Бесконтактные системы автоматического вождения машинно-тракторных агатов" М., ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш 1982 г. (соавторы Л.Г.Малорацкий и )

_б) Статьи в сборниках и журналах.

4. "Вопросы получения описания самоходной машины как управляемого объекта" в "Труды семинара по управляемости и устойчивости автомобилей 4-6/1У 1967 г." вып. 1., НАМИ, 1969 г. (соавтор Б.И.Морозов).

5. "Повышение качества автоматического вождения гусеничного трактора на пахо-в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N11, 1970 г.

6. "Определение коэффициентов дифференциального уравнения по эксперимен-ыгой информации" в сб. "Земледельческая механика" т.ХУ, М., изд. "Колос" 1971 г. авторы Л.А.Фрумкин и Ю.М.Огульник).

7. "Некоторые вопросы неустановившегося поворота гусеничного трактора" в Тракторы и сельхозмашины" N7, 1974 г.

8. "Применение следящего привода в системах автоматического вождения колес-с тракторов" в ж. "Механизация и электрификация сельского хозяйства" N9, 1975 г. шторы Ю.К.Клейн и Е.Н.Фалеева).

9. "Создание системы автоматического контроля и управления скоростными и эузочными режимами с.х. тракторов" в сб. "Сельскохозяйственное приборострое-" N1(18) М. НПО "Агроприбор" 1978 г.

10. "Исследования и разработки в области автоматизации управления скорост-1И и загрузочными режимами тракторных двигателей" в сб."Сельскохозяйственное боростроение" Ы1(2б)-2(27) М. НПО "Агроприбор" 1980 г.

II. "Основные задачи создания устройств ориентации движения широкозахватных Л'атов, обеспечивающих стыковку смежных проходов" в трудах ВИСХОМ вып.

М., 1980 г. (соавторы В.Я.Воронин и В.Н.Опишанский).

12. "Выбор пороговых значений для автоматического управления загрузкой трак-ного двигателя" в трудах НАТИ "Вопросы создания, исследования и испытаний яств автоматизации с.х. техники" 1982 г. (соавторы Л.И.Гром-Мазничевский и Спивак).

13. "Учет буксования при выборе режимов автоматизированного МТА" ; "Тракторы и сельхозмашины" N4 1985 г.

14."Социально-экономические, научно-технические и эксплуатационные пре, сылки создания и использования трактора-робота" в ж. "Тракторы и сельхозмашт N3, 1986 г. (соавтор Г.М.Седов).

15."Электронизация машинно-тракторных агрегатов" в Международном сель хозяй-ственном журнале N2, 1988 г. (соавтор А.В.Рославцев).

16."Перспективы автоматизации тракторных двигателей на микропроцессор основе" в ж. "Двигателестроение" N6, 1988 г.

17."Электронные щитки приборов на зарубежных тракторах" в ж. "Трактор сельхозмашины" N6, 1989 г. (соавторы А.Н.Копытин и Ф.Ф.Мачульский).

18."Электронные средства автоматического управления на зарубежных тракто в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N10, 1989 г. (соавторы Г.В.Новике Ф. Ф. М ачуль ски й).

^."Приспособленность с.х. тракторов к применению средств автоматичес: контроля и упраения" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N11, 1989 г.

20."Эффективность применения измерителей действительной скорости МТ методы ее оценки" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N3, 1990 г. (coa) П.И.Лобко).

21 ."Электронные средства автоматического контроля на зарубежных тракто в ж. Тракторы и сельхозмашины" N9, 1990 г. (соавтор Г.В.Новиков).

22. "Электронные микропроцессорные контрольно-информационные сист тракторной автоматики" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N10, 1990 г. (coai Г.В.Новиков).

23."Электронные информационные системы тракторной . автоматики" "Тракторы и сельхозмашины" N12, 1990 г. (соавтор Г.В.Новиков).

24. "Эргономическое обеспечение создания средств автоматизации контро управления МТА" в трудах НАТИ "Автоматизация машинно-тракторных arpera ) 990 г. (соавтор Л.А.Вайнштейн).

25."Перспективы создания САУ рабочим процессом промышленного траг с бульдозерным оборудованием" там же (соавторы Ю.В.Авдеев и др.).

26."Эффективность применения электронной аппаратуры на с.х. тракторах" "Тракторы и сельхозмашины" N1, 1993 г.

27."Экологические характеристики с.х. тракторов и электронные системы а матического контроля и управления" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N7, 1993 г.

28."Устройства радиолокационного измерения скорости на зарубежных тракто-ix" в ж. Тракторы и сельхозмашины" NN 6-7, 1993 г. (соавторы Г.В.Новиков и С.Хаби).

29."Типаж и конструкция сельскохозяйственных тракторов (по материалам вы-авки SIMA-93)" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N1, 1994 г. (соавторы В.С.Гольнев Г.Г.Колобов).

30. "Универсальная информационная система трактора" в ж. "Тракторы и сель->змашины "N11, 1994 г. (соавторы Г.В.Новиков и В.С.Хаби).

31. "Особенности динамики неустановившегося поворота гусеничного трактора с вностно-скоростным механизмом" в ж. "Тракторы и сельхозмашины" N5, 1995 г.

в) Опублтсоканнме тезисы докладов.

32. "Принципы оптимального управления загрузочным режимом трактора со сту-нчатой трансмиссией" в сб."Автоматизация производственных процессов в растение-ястве" М., ВИМ, 1976 г.

33."Предпосылки применения микропроцессорных средств автоматического нтроля и регулирования для тракторов" в сб. "Автоматизация сельскохозяйственных плин" М., ВИСХОМ, 1986 г. (соавторы А.Н.Копытин, Г.М.Седов).

34."Концепция развития комплексной автоматизации сельскохозяйственных ТА" в сб. "Тезисы национальной научно-технической конференции с международ-ш участием по электронизации с.х. машин и процессов" Толбухин (Болгария), 1988 (соавторы А.В.Рославцев и др.).

35."Электронная система для тракторов типа ИСТ" там же (соавторы Л.И.Гром-азничевский и др.).

36."Эргономические проблемы при автоматизации МТА с использованием элек-онной и микропроцессорной техники" там же (соавтор Л.А.Вайнщтейн).

37."Применение микропроцессорных устройств для предотвращения опрокидывая МТА" в сб. "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" , ВИМ 1989 г. (соавтор А.К.Горохов).

38."Концепция автоматизации контроля и управления тракторами в современ-х условиях" в сб. "Автоматизация производственных процессов в сельском хо-!стве" М., ВИМ, 1995 г.

г) Авторские свидетельства на изобретения и промышленные образцы.

39. "Устройство для автоматического вождения самоходной машины на колесном гу" а.с. 187433 (соавторы С.А.Богданов и др.).

40. "Устройство для непрерывного измерения курсового угла самоходной машины юсительно прямой" а.с. 236113 (соавторы С.А.Богданов и др.).

41.'Гидравлический сервопривод управления гусеничными машинами" 239055 (соавторы С.А.Богданов и др.).

42."Устройство для автоматического вождения тракторного агрегата" а.с. 247 (соавторы С.А.Богданов и др.).

43."Устройство для автоматического вождения машин на колесном хо а.с.286374 (соавторы С.А.Богданов и др.).

44."Устройство для автоматического вождения гусеничного трактора" а.с. 289 (соавтор Е.Н.Червяков).

45."Способ автоматического направления движения тракторных агрегатов по данной траектории" а.с. 342567 (соавтор А.Д.Макеев).

46."Чувствительная контактная головка системы автоматического вождения моходных машин" а.с. 488536 (соавторы Ю.И.Ефремов и Ю.К.Клейн).

47."Способ определения пороговых значений параметра загрузки двигателя тр тора при автоматическом управлении его ступенчатой трансмиссией" а.с. 648 (соавторы Ю.К.Клейн и др.).

48."Устройство для автоматического управления фрикционным элементом трг миссии транспортного средства" а.с. 660862 (соавтор В.М.Зотов).

49."Система сигнализации момента переключения передач в трансмисс транспортных средств" а.с. 806485 (соавторы Ю.К.Клейн и др.).

50."Устройство аварийной защиты транспортного двигателя внутреннего сгс ния" а.с. 875112 (соавторы И.Г.Зарубин и др.).

51 ."Устройство аварийной защиты двигателя внутреннего сгорания транспс ного средства" а.с. 1079867 (соавтор В.Д.Выборных).

52."Устройс.тво для автоматической аварийной защиты двигателя внутреш; сгорания" а.с. 1090902 (соавторы В.С.Абушенко и др.).

53."Устройство автоматического переключения передач транспортного среди а,с, 1471444 (соавторы Л.И.Гром-Мазничевский и др.).

54."Устройство для автоматической защиты двигателя внутреннего сгораь а.с. 1477922 (соавторы В.Д.Выборных и др.).

55."Устройство для формирования команд на переключение передач транспс ного средства" а.с. 1601534 (соавторы Л.И.Гром-Мазничевский и др.).

56."Электропневматическая тормозная система двухзвенного транспорта средства" а.с. 1604645 (соавтор Э.В.Саркисян).

57."Двухпроводная электропневматическая тормозная система прицепа" 1643248 (соавтор Э.В.Саркисян).

58."Способ определения высоты объекта над поверхностью" а.с. 166: (соавтор В.С.Хаби).

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТРАКТОРНЫЙ

ИНСТИТУТ : НАТИ

14.2.001-52

На правах рукописи

ШШЙЛЁВСКИЙ ГЕННАДИЙ 1СОВИЧ

I

ПОВЫШЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ТРАКТОРОВ СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ)

05.05.03 - "Колесные и гусеничные машины"

05.13.07 - "Автоматизация произодствеиных процессов по отраслям -сельскохозяйственное производство"

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук профессор Городецкий К.И. Доктор технических наук профессор Юрчевский A.A. Доктор технических наук профессор Катанаев Н.Т.

Ведущее предприятие АО "Волгоградский тракторный завод"

Защита состоится 28 октября 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д. 132.01.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Государственном научно-исследовательском тракторном институте НАТИ по адресу: 125040, Москва, ул. Верхняя, дом 34. С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке НАТИ.

Диссертация в виде научного доклада разослана

Ученый секретарь ,

диссертационного Совета, // ,

канд. техн. наук ( *

Л.В.Васильев

i" -

* ч f г i s ,' \

^ -/*/■ </ ... ^ t

"V-'tli \

(J ■

{. (

fi

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем докладе содержатся:

- результаты теоретических исследований и разработок по созданию средств автоматизации различного назначения;

- методические рекомендации по дальнейшему развитию этого направления как одного из наиболее перспективных для сове^Яйенствования тракторной техники, в том числе и по новым возможным постановкам ;

- рекомендации по организационно-техническому обеспечению создания и освоения средств автоматизации с учетом современных экономических условий.

Доклад составлен на основе разработок, проводившихся при участии, а в последние годы (начиная с 1978 г.) - под руководством автора. При этом теоретические результаты изложены по конкретным направлениям. Вопросы постановки и обеспечения, имеющие более общий" характер, показаны в форме, учитывающей и опыт проведенных работ, и произошедшие в отечественной экономике изменения.

Изложение теоретических результатов ограничено только теми,- которые были получены самим автором или с его непосредственным участием. Если в последующем имело место их развитие другими авторами, то сведения об этом также приводятся. Для краткости изложения опущены доказательства помученных впервые выводов, описания методик экспериментальных исследований и натурных испытаний и алгоритмы и программы расчетов.

Структура результатов работы и методических рекомендаций соответствует схеме, показанной на рис. 1.

Подтверждая, что многие направления разработок сложились или до начала работы автора в этой области, или не по. его инициативе, и выражая уважение большому числу работавших и работающих здесь специалистов, в первую очередь сотрудникам НАТИ и его подразделений, автор тем не менее не счел возможным в рамках "'¡ого доклада приводить исчерпывающего обзора развития по каждому направле-Изложение ограничено оценкой состояния на момент начала работы автора по '¿ой конкретной задаче.

Яйтор считает себя обязанным упомянуть, что получение такого богатого опыта '. бы совершенно невозможным без тесного сотрудничества с большим числом оте-очных и зарубежных специалистов, в первую очередь с такими, как покинувшие л.й.Трепененков, Б.А.Любимов, С.А.Богданов, П.П.Горбунов, И.Я.Цвейбель, . .Клейн, Ю.И.Ефремов, Б.И.Морозов, А.Б.Лурье, П.'Я.Прицкер, И.И.Кандрусев -ьще здравствующие Л.И.Гром-Мазничевский, Л.А.Вайнштейн, И.А.Скрыпник, -'.Викторов, Б.М.Ломакин, В.Я.Воронин, В.К.Хорошенков, Л.А.Орлов,

I

о .Н.Гевейлер, В.Г.Чернышев, В.Ф.Капканец, В.Д.Выборных, Е.П.Куценко,

С.А.Иофинов, Р.Т.Абдрашитов, В.К.Грашис, И.И. Наконечный, А.С.Кашурко, С.П.Гельфенбейн, Б.М.Иванов, М.М.Арановский, Г.Г.Сумцов, М.Г.Мелешко,

A.И.Драновский, Г.Н.Файнбурд, В.С.Тимошенко, В.И.Курченков, В.М.Шабанов, E.H.Червяков, И.С.Погорелова, Л.А.Фрумкин, Ю.М.Огульник, Е.Н.Фалеева,

B.Волчанов, Г.'Гановский, В.Панкова, В.Барани, Й.Франц, А.Дьери, Дж.Браун и многие другие. Автор выражает глубокую благодарность им, а также сотрудникам лаборатории автоматизации В.С.Хаби, Г.В.Новикову, А.Ф.Карбаяу и И.А.Печенкиной, сотрудникам других подразделений НАТИ и большого числа других организаций.

Автор хотел бы подчеркнуть, что проведенные работы рассматриваются им как органически связанные с общим направлением работ НАТИ по совершенствованию, теоретических и конструктивных представлений по различным вопросам тракторостроения, направленным в целом на повышение всех потребительских свойств тракторов отечественного производства.

КОНЦЕПЦИИ

Рис.1. Структура результатов работы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Оснащение тракторов средствами автоматического контроля и управления стало практически общепринятым признаком современного технического уровня, которому ведущие зарубежные тракторостроительные фирмы уделяют серьезное внимание. При этом очевидно, что наличие на тракторах таких средств является мощным резервом повышения целого ряда важных потребительских свойств тракторов любого назначения, доводя эти свойства почти до максимально возможных значений, определяемых конструктивными возможностями тракторов. При этом под потребительскими свойствами здесь понимаются признаки, по которым потребитель на рынке тракторной техники делает выбор той или иной модели и которые в конечном итоге определяются тем, каких затрат ресурсов (первичные вложения, время-труд, энергоресурсы, запчасти, другие расходуемые ресурсы) потребует выполнение необходимого объема работ и какой уровень комфорта и безопасности, в т.ч. экологической, будет обеспечен при этом.

Автоматизация контроля и управления обеспечивает:

1. Повышение производительности за счет более полного использования мощности двигателя и времени смены, а также полноты сбора урожая.

2. Снижение расхода горюче-смазочных, посевных и посадочных материалов, средств химизации и других расходуемых ресурсов.

3. Снижение затрат на обслуживание и ремонт.

4. Повышение удобства и безопасности труда.

5. Снижение вредных воздействий на почву, растения, атмосферу и грунтовые воды.

6. Повышение возможностей учета и планирования работы.

Современные представления о целесообразности автоматизации исходят из понимания того, что деятельность человека-оператора, в данном случае водителя машинно-тракторного агрегата, связана с необходимостью принимать и обрабатывать определенные потоки информации. В одних случаях эти потоки недостаточны для эффективного контроля и управления, а в других настолько интенсивны, что существенно превышают возможности среднего человека-оператора по адекватному реагированию в виде своевременных и точных действий, в связи с чем наблюдается определенный информационный дискомфорт оператора и происходит существенное недоиспользование возможностей трактора. Прием и переработка информации с помощью аппаратных средств, которые могут быть с одной стороны гораздо более чувствительными к

изменениям условий работы и соответственно использовать больше информации, чем человек-оператор, а с другой - обладать гораздо более высокой по сравнению с ним пропускной способностью и вносить при этом.меньше искажений, - являются принципиальной основой автоматизации.

Создание каждого средства автоматизации представляет собой сложную системную задачу, которая для успешного решения требует наличия теоретических и методических основ, позволяющих учесть многообразие предъявляемых со всех точек зрения требований. В свою очередь развитие тракторной техники определило достаточно обширную номенклатуру потенциально эффективных средств автоматизации. В связи с этим фактически появилось целое научно-техническое направление, имеющее своими целями создание и освоение таких средств.

Работы в этом направлении ведутся в НАТИ более 30 лет в сотрудничестве с тракторными.заводами и их конструкторскими организациями, научно-исследовательскими и учебными институтами. В последнее время с переходом к широкому использованию электронной аппаратуры в этой работе участвуют также и специализированные организации соответствующего профиля.

Задания на проведение работ в этом направлении в разные годы включались в отраслевые планы НИОКР по тракторо- и моторостроению, государственные научно-технические программы, программы научно-технического сотрудничества стран-членов СЭВ, тематические планы НАТИ, а также определялись договорами с предприятиями отрасли. Однако реализация результатов проведенных работ в связи с недоступностью производственно-технологического потенциала, необходимого для промышленного освоения создаваемых средств и практически полностью загруженного оборонными задачами, существенно отстала от мирового уровня. Некоторое продвижение в этой области было связано с деятельностью существовавшего в 1986-1991 годах советско-болгарского предприятия "Агроавтоматика", одним из учредителей которого являлся НАТИ, но и оно вынуждено было прекратить свое существование.

В настоящее время в связи с предполагаемым переходом к выпуску в Российской Федерации новых моделей тракторов и массовым высвобождением в результате конверсии необходимого производственно-технологического потенциала можно ожидать возобновления спроса на разработки и освоение разнообразных средств автоматизации, рассчитанных на применение в различных экономических укладах производства, использующего тракторную технику и заинтересованного в ее эффективности. При этом понадобятся теоретические и методические рекомендации, которые позволят быстро и с минимальными затратами разработать и освоить эти средства. В связи с этим тема, связанная с повышением потребительских свойств тракторов за счет ав-

томатизации контроля и управления и содержащая теоретические и методические предпосылки ведения НИОКР в этом направлении, является достаточно актуальной.

Целями работы являлись:

- создание теоретических и методических основ повышения потребительских свойств тракторов путем разработки и освоения средств автоматизации тракторов и машинно-тракторных агрегатов различного назначения в форме обобщенных методов анализа и синтеза, определение технических требований к этим средствам, проведение теоретических и экспериментальных исследований но изысканию наиболее рациональных технических решений, организация опытно-конструкторских работ и мероприятий по освоению;

- разработка и уточнение общей концепции создания и освоения средств автоматизации и ее частного вида на ближайшую перспективу с учетом концептуально значимых факторов;

- обобщение общих методических рекомендаций по рациональному ведению работ.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработан систематизированный комплекс методов анализа и синтеза различных систем - средств автоматического контроля и управления для тракторов, опирающийся на единый подход к повышению потребительских свойств тракторов за счет рационализации контроля и управления и направленный на получение максимальной эффективности применения этих средств на тракторах, и практических решений по созданию и освоению этих средств. По существу получены новые научно обоснованные технические решения, использование которых в теории и практике конструирования тракторов позволяет существенно повысить технический уровень отечественного тракторостроения.

При этом, в частности, в отдельных областях этого комплекса получены следующие результаты:

). В области систем автоматического вождения разработана математическая модель прогрессирующего искривления, возможного при работе систем, использующих копирование предыдущего прохода, и определены требования к динамическим характеристикам таких систем для недопущения этого искривления.

• Применительно к гусеничным тракторам как объектам управления исследованы вопросы неустановившегося поворота, что позволило разработать экспериментально подтвержденную математическую модель для использования в задачах анализа и синтеза систем автоматического вождения, учитывающую особенности механизма поворота трактора и физический смысл прцесса.

Разработана математическая модель системы с гусеничным трактором в качестве объекта управления и методы ее использования для задач анализа и синтеза. Предло-

жены и реализованы варианты оригинальных конструктивных решений систем и их составных частей.

Определены возможности систем автоматического вождения по получению реальных производственных эффектов.

2. В области систем управления режимами двигателя впервые в мировой практике показана возможность использования на тракторе системы автоматического управления с применением средств микроэлектроники.

Установлена необходимость и разработаны приемы самонастройки параметров системы на текущее состояние характеристики двигателя. Разработаны приемы измерения загрузки двигателя, не требующие изменения конструкции корпусных деталей и хорошо согласующиеся с цифровыми способами обработки результатов.

Для целей анализа и синтеза предложено рассматривать такие системы как двухкон-турные с моторно-трансмиссиоиной установкой в качестве единого объекта управления. Предложено понятие "крутильная характеристика моторно-трансмиссиоиной установки" и разработаны методы ее использования для определения параметров системы управления, в частности, специальная номограмма. Проведены расчеты для прогноза влияния параметров системы управления на ресурс двигателя и трансмиссии. '■Разработаны рекомендации для выбора наиболее рациональных конс.трук-

тивных решений по исполнительным органам системы. -¡X, ~~ Разработана уточненная математическая модель процесса трогания и разгона трак-^ тора при включении муфты сцепления. С помощью электронного моделирования ис-

>; : следованы возможности и разработаны рекомендации по автоматическому унравле-

X? , нию включением муфты.

.__

3. В области систем контроля и аварийной защиты введено понятие об интегральных параметрах, позволяющее принимать решения по рациональному выбору номенклатуры параметров контроля для каждой конкретной модели трактора. Разработаны технические требования к конструкциям и характеристикам датчиков.

Найдена и реализована наиболее целесообразная форма предъявления визуальной символьной информации с использованием впервые в мировой практике мнемосхемы трактора и двухсимвольных сообщений. Впервые в отечественной практике апробирована технология пленочных панелей со встроенной псевдосенсорной клавиатурой.

Впервые в отечественной практике была поставлена и решена задача создания и освоения в виде самостоятельного изделия системы аварийной защиты двигателя. ГГри этом найдены пригодные для использования в составе более сложных систем конструктивно-параметрические решения по принципам действия аварийной защиты и по универсальному приему принудительной аварийной остановки двигателя. Разработана методология оценки экономической эффективности аварийной защиты двигателя. Раз-

работаны мероприятия по обеспечению качества производства электронных блоков системы.

4. В области информационно-советующих систем определено их место в проблеме автоматизации. Показана связь эффективности использования таких систем с наличием у пользователя стимулов для производительной и эффективной работы и введено понятие "заинтересованный пользователь".

На примере такой системы, создававшейся для трактора Т-150К, отработана методика выбора аппаратных и программных решений. В частности, разработан алгоритм, позволяющий с высоким быстродействием определять начало пробуксовки фрикционных элементов трансмиссии.

5. В области измерения действительной скорости разработаны и обоснованы требования к применяемым аппаратным средствам но диапазону измеряемых скоростей, точности измерения и времени усреднения для сельскохозяйственных и промышленных тракторов.

Разработаны и реализованы приемы испояьзовяия информации, получаемой на базе измерения действительной скорости, для более эффективного управления трактором. Разработан алгоритм оптимального управления бульдозером на базе тяжелого гусеничного трактора.

Организованы разработка и выпуск промышленной партии универсальной информационной системы с измерением действительной скорости.

6. В области комплексной автоматизации тракторов разработана концепция создания бортового компьютера как комплекса аппаратных и программных средств со штатными и заказными набора